Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI-ELVIS rendszerben. Készítette: Kiss László

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI-ELVIS rendszerben

Készítette: Kiss László

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben TARTALOMJEGYZÉK Bevezetés......................................................................................................................... 4 A PCI-6251 M típusú többfunkciós mérésadatgyűjtő kártya .......................................... 5 II/1. Az alkalmazás és működés áttekintése ...................................................................... 7 III. A LabVIEW programfejlesztő rendszer általános bemutatása .................................. 13 III/1. A LabVIEW programfejlesztő rendszer működése ............................................. 16 III/1.1 A Front Panel ................................................................................................. 16 III/2. A Blokk Diagram ................................................................................................. 18 IV. A LabVIEW programozása ........................................................................................ 19 IV/1. VI-ok megnyitása és futtatása .............................................................................. 19 IV/2. Új VI létrehozása és átalakítása subVI-já ............................................................ 21 IV/3. Ciklus szervezése ................................................................................................. 23 IV/4. Az adatgyűjtő kártya analóg bemenetének alkalmazása ...................................... 24 V. Az NI ELVIS rendszer, a próbapanel és a virtuális műszerpark ................................... 26 V/1. Az NI ELVIS rendszer ......................................................................................... 26 V/2. Az NI ELVIS munkaállomás ............................................................................... 28 V/3. Az NI ELVIS prototípus kártya ........................................................................... 29 V/4. Az NI ELVIS és lehetséges alkalmazási területei................................................ 30 V/5. Az NI ELVIS szoftver ......................................................................................... 30 V/6. Az NI ELVIS virtuális műszerpark..................................................................... 31 V/6.1. A digitális multiméter (DMM) ......................................................................... 31 V/6.2. Az oszcilloszkóp .............................................................................................. 32 V/6.3. A függvénygenerátor ........................................................................................ 33 V/6.4. A Bode analizátor ............................................................................................. 33 V/6.5. Dinamikus jel analizátor .................................................................................. 35 V/6.6. Tetszőleges hullámforma generátor ................................................................. 36 V/6.7. Digitális buszolvasó ......................................................................................... 37 V/6.8. Digitális buszíró ............................................................................................... 37 V/6.9. Impedancia analizátor ...................................................................................... 38 V/6.10. Háromvezetékes feszültség-áram analizátor ................................................ 39 VI. Az ELVIS rendszer eszközeinek programjai ............................................................. 40 VI/1. A függvénygenerátor alkalmazása ...................................................................... 40 VII. A mérések bemutatása. ................................................................................................. 41 VII/1. Invertáló AC erősítő vizsgálata ............................................................................. 42 VII/2. Összegző áramkör vizsgálata ................................................................................ 47 VII/3. Integrátor áramkör vizsgálata ............................................................................... 53 VII/4. PI-alaptag vizsgálata ............................................................................................. 59 VII/5. PD-alaptag vizsgálata .......................................................................................... 64 VII/6. Invertáló bemenetről vezérelt komparátor ........................................................... 69 VII/7. Astabil multivibrátor (AMV) .............................................................................. 72 VII/8. Elsőfokú aluláteresztő szűrő ............................................................................... 74 VII/9. Másodfokú aluláteresztő szűrő ........................................................................... 78 VII/10. Föld független terhelésű áramgenerátor ........................................................... 82 VIII. Programok bemutatása ............................................................................................ 85 VIII/1. Mérésadatgyűjtő és vizualizáló 1 ..................................................................... 86 VIII/2. Mérésadatgyűjtő és vizualizáló 2 ..................................................................... 88 VIII/3. Mérésadatgyűjtő és vizualizáló 3 ..................................................................... 92 I. II.

2

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben IX. XII.

Irodalomjegyzék .......................................................................................................... 93 Mellékletek .................................................................................................................. 95

3

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben

I.

Bevezetés Az NI (National Instruments) egy ipari szoftver és hardver fejlesztő cég, amely termékeivel világviszonylatban ér el sikereket. Termékei jelen vannak a modern műszaki élet minden területén, valamint az egészségügy széles spektrumában. Kihasználva a már általánosan alkalmazott PC-ket és a hozzájuk tartozó technológiák előnyeit, a virtuális műszerezés növeli a teljesítményt. Jellemzője, hogy a bárhová könynyen integrálható szoftvereinek köszönhetően olcsóak, mint például: szoftver oldalról az NI LabVIEW grafikus fejlesztő környezet, vagy hardver oldalról az adatgyűjtéshez, gépi látáshoz és szabályozásokhoz is használható PCI és PXI modulok révén. A rendszer segítségével professzionális mérésadatgyűjtő, teszt és automatizálási feladatok oldhatók meg, illetve ilyen alkalmazások készíthetők. A virtuális műszerek szabványos számítógép alapú mérőeszközök és a rendszer funkcionalitását meghatározó, egyszerűen kezelhető de bonyolult szoftverek kombinációja. A hardver eszközök egyszerűen illeszthetők a külső jelekhez, így gyorsan, nagy pontosságú méréseket lehet elvégezni, legyen szó akár alacsonyabb frekvenciájú hőmérsékletmérésről vagy akár RF jelek gyűjtéséről GHz-es tartományban. Megoldásokat kínál még többek között képfeldolgozási, hajtásvezérlő és elosztott terepi mérő-vezérlő alkalmazások megvalósításához. Ezzel az elektronikus könyvvel az NI LabVIEW rendszerében egy olyan elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas hardver-szoftver együttes elkészítésére vállalkoztam, ami fizikailag megvalósított áramkörök vizsgálatát teszi lehetővé virtuális jelforrások és műszerek segítségével. A tervezéshez hardver oldalról a PCI- 6251M típusú mérésadatgyűjtő kártyát és az NI ELVIS próbapanelt, míg szoftver oldalról a LabVIEW 7.1-es valamint az NI ELVIS 2.0.5 verzióját használtam.

4


II.

A PCI-6251 M típusú többfunkciós mérésadatgyűjtő kártya Egy mérésadatgyűjtő rendszer létrehozásakor az adatgyűjtés megbízhatósága és pontossága alapvető követelmény, a mérés legfontosabb paramétereinek teljesülése mellett. Az adatgyűjtő eszközöknek olyan a felépítése és kivitele, amely biztosítja a nagypontosságú eredményeket a teljes mérőrendszeren keresztül. Ellenkező esetben a hibák és pontatlanságok, amelyek valahol a mérőrendszerben keletkeznek, a rendszer további hardver és szoftver elemein végig haladnak, esetleg halmozódnak, és meghamisítják az adatokat, eltorzítva a további feldolgozást is. Az PCI-6251 M sorozatú korszerű mérésadatgyűjtő kártya egy olyan hardver elem, amely ideálisan alkalmazható a nagysebességű adatnaplózástól kezdve a magas jelszintű jelek irányításán át a szenzoroktól érkező jelek mérésére, miközben teljes mértékben használja az NI jelfeltételeit, tehát mind hardver, mind pedig szoftver oldalon kompatibilis az egyéb NI eszközökkel. A kártya szinkronizálja a több-felhasználós eszközök működését az RTSI (real-time system interface) busz segítségével vagy a PXI (a PCI eXtenson for Instrumentation) triggerelhető buszrendszer segítségével, amely könnyedén integrálja a különféle hardvereket, mint pl. mozgás-irányítás, gépi látás, hogy egy teljes mérési és irányítási rendszert hozzon létre. A kártya működésének vizsgálatához elengedhetetlen annak hardver blokk vázlata, amely már önmagában is szemléletes képet ad a jelterjedési irányokról és a részegységek egymáshoz való viszonyáról.

5


I/O Connector

PCI/PXI Bus

Calibracion DAC

16

Analog Input Muxes

Analog Trigger Circuitry

DI FIFO DO FIFO

+

NI PGIA

12 or 16 –bit ADC

-

PFI D/A Trigger

AI Timing/ Control

DMA/INT Request

Two 24-bit Counter/ Timers

NI DAQ-STC

Bus Interface

Digital I/O (8)

AO Timing/ Control

RTSI/PXI Trigger Bus

AI FIFO

NI MITE Bus Interface

DAC 0 AO FIFO

DAC 1

Calibration DAC

On Selected E Series Devices

RTSI/PXI Trigger Bus

II/1. ábra A PCI 6251M mérésadatgyűjtő kártya blokk vázlata

6


II/1.

Az alkalmazás és működés áttekintése A PCI-6251 M sorozatú többfunkciós mérésadatgyűjtő kártyák ( E Series DAQ) alkal-

mazása ideális a folyamatos nagysebességű adatnaplózástól kezdve a különböző jelszintű jelek feldolgozásán át a szenzoroktól érkező jelek mérésére. Képes szinkronizálni a többfunkciós eszközök működését az RTSI busz segítségével, amely könnyedén integrálja az egyéb hardver eszközöket, mint pl.: mozgásirányítás, gépi látás, stb., hogy egy teljes mérési és irányítási rendszert hozzon létre. A körültekintő és magas szintű hardvertervezésnek köszönhetően az eszköz kiváló tulajdonságokkal rendelkezik. Az áramköröket úgy tervezték, hogy minimalizálják a hőmérsékletváltozás által okozott munkapont eltéréseket, és ezek hatását a mérésekre. Így 1 Co hőmérsékletváltozás a mérési eredményben kevesebb, mint 0.001% eltérést okoz. Minden jelerősítőnek (még a legjobbaknak is) van erősítési hibája és ofszet-je. Az eszközben lévő erősítők autókalibrálási lehetőséggel vannak ellátva, ami azt jelenti, hogy a kalibrációs, korrekciós értékek gyárilag egy EEPROM-ban vannak tárolva. Ezeket a kártyameghajtó szoftver kiolvassa, és a korrekciót automatikusan elvégzi. Az ön-kalibráció teljesen szoftver vezérelt és nincs szükség külső járulékos elemekre. Precíz feszültség referenciát alkalmaznak a kalibráláshoz és a nagypontosságú mérés megvalósításához. A felhasználónak lehetősége van az EEPROM-ba saját korrekciós értékeinek letárolására, és használatára. Ez akkor válik indokolttá, ha olyan szélsőséges körülmények között alkalmazzák a mérésadatgyűjtő rendszert, amelyek a gyári kalibrációs értékektől eltérő beállításokat tesznek szükségessé. A kártya az I/O csatlakozón keresztül tart kapcsolatot a környezetével. Innen 16 csatornás bemeneti sínen keresztül egy analóg multiplexerbe jut a jel. A multiplexer a kiválasztott csatornának megfelelő jelet egy automatikus kalibrációjú és hőmérséklet kompenzált műveleti erősítőre juttatja. Kellő erősítés után a jelet egy A/D konverterrel digitalizálják, amely digitalizált jel az analóg bemeneti jel FIFO tárolójába kerül. Innen a jelet az NI MITE Bus Interfacen keresztül a PCI/PXI Bus-ra juttatják további feldolgozás, tárolás, kiértékelés céljából.

7

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben Nagyon fontos, hogy az erősítő kellően kicsi beállási idejű legyen ahhoz, hogy a mérőerősítő minden egyes csatornaváltásnál kellő gyorsasággal beálljon. Ha ez nem történik meg, akkor a mérés pontatlan lesz, és az A/D konverterre már hibás jelek érkezhetnek. A beállási idő az az idő, amely alatt az erősítendő jel eléri a megkívánt értéket, és egy adott pontossági tartományban marad (II/1.1 ábra), az A/D konverzió csak ezután kezdődhet meg. Ha a beállásra nincs elég idő, akkor a digitalizált érték eltér a valóságos jelszinttől.

U (V) tb

ΔU

t (μs) II/1.1 ábra A beállási idő Ha például 16 csatornán mérünk 100 kHz-es mintavételi sebességgel, 12 bit felbontású mérőkártyával, előfordulhat, hogy a mért jeleink mégsem lesznek 12 bit pontosságúak. A pontatlanság oka ilyenkor az, hogy az erősítő beállási ideje nagyobb, mint a csatornaváltások között rendelkezésre álló idő. A beállási időt több tényező befolyásolja. A nagyobb erősítés nagyobb beállási időt kíván. A csatornák közötti átkapcsolások, a multiplexelés szintén beállási időt növelő tényező. A különböző szintű DC jelek gyors multiplexelése során az erősítő bemenetére valójában egy nagyfrekvenciás AC jel kerül. Az erősítőnek ezzel a frekvenciával kell követnie a megkívánt erősítés-szint átkapcsolásokat.

8

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben Az analóg adatgyűjtő kártyák azonos felbontás mellett igen különböző beállási időkkel rendelkezhetnek, amely a sebességet és a mérési pontosságot erősen befolyásolja. Az NI mérésadatgyűjtő kártyáiban egy gyors működésű mérőerősítő áramkör található, amely ötször rövidebb idő alatt képes beállni, mint a szokásos mérőerősítő áramkörök (II/1.2 ábra). Ez az ún. NI-PGIA áramkör garantálja a kártyaspecifikációban megadott pontosságot minden erősítésre, csatornaszámra és mintavételi sebességre. Felbontás (bit) Hagyományos mérőerősítők 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

NI PGIA

0

4

8

12

16

18

20

24

28

32

36

40

t (μs)

II/1.2 ábra Felbontás az idő függvényében

Miután a jelek digitalizálása megtörtént az A/D konverzió során, az értékek a FIFO tárolóban várakoznak a PC memóriájába történő továbbításra. A FIFO tárolóba az adatok a maximális mérési sebességgel kerülhetnek beírásra. Innen azonban a memóriába való átvitel sebességét a PC busz átviteli képessége korlátozhatja, amely esetleg kisebb lehet, mint a mérési sebesség. A PCI busz átviteli sebessége 132Mbyte/s, de folyamatos átvitel esetén ez az érték 40Mbyte/s értékre csökken. A PCI busz önmagában nem garancia a gyors adatátvitelre, mivel nem rendelkezik DMA vezérlővel. Ezért kell az AI FIFO tár, ahonnan a CPU fogja az adatokat ütemezve kiolvasni. Növelhető viszont az átviteli teljesítmény az ún. scatter-gather címzési technikával, amelynek segítségével a busmaster a nem összefüggő memória területeket is önállóan és

9

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben hatékonyan kezeli. Ilyen buszvezérlővel vannak ellátva a NI E sorozatú, nagyteljesítményű PCI buszos kártyái. A MITE buszvezérlő biztosítja azt, hogy a kártyák a leggyorsabb mintavételezési sebesség mellett is folyamatos adatgyűjtést képesek végezni hosszú időn át. E nélkül a technika nélkül a gyors kártyák is csak a kártyán lévő FIFO tároló megteléséig képesek a maximális sebességű adatgyűjtésre. A triggereléssel pontosan meghatározható, hogy a mintavételezés mikor történjen az egyes mérőcsatornákon. A rugalmas, fejlett időzítési technika ugyanakkor lehetővé teszi az egyes mérő csatornák és mérő kártyák működésének összehangolását is. Így lehetővé válik, hogy a kártyán belül, vagy akár kártyák között is bizonyos események összeszinkronizálhatók legyenek. Az analóg jelek triggerelése különböző módon valósítható meg. A legegyszerűbb esetben maga a felhasználói szoftver indítja el a mérést. Ez a technika sem a kártyától, sem a meghajtó szoftvertől nem kíván semmiféle különleges megoldást, de csak lassan változó jelek mérésénél alkalmazható. Ennél igényesebb esetekben, például gyors jelek mérésénél, szükség lehet arra, hogy a mérést magán a hardveren megvalósított trigger áramkör vagy a meghajtó szoftver triggerfunkciója indítsa. Digitális hardver-triggerelés alkalmazása szükséges akkor, amikor a mérés kezdete egy esemény bekövetkezéséhez van rendelve, például egy kapcsoló bekapcsolásakor, egy pozíció elérésekor, vagy egy optikai érzékelő jelére. Ilyenkor általában egy digitális jel felfutó vagy lefutó éle indítja el a mérést. A legigényesebb technika az analóg hardver-triggerelés. A nagyteljesítményű mérőkártyák egy analóg trigger áramkörrel vannak ellátva, amely lehetővé teszi, hogy csak a mérendő jel egy bizonyos értékénél induljon el a mérés. Meg lehet adni a jelszint értékét, amelynél a triggerelés megtörténik, valamint azt is, hogy a triggerelés emelkedő, vagy lefutó élre következzen be. Ha az adatgyűjtő kártya nem rendelkezik hardver trigger lehetőséggel, akkor kell alkalmazni az analóg szoftver-triggerelést. Ebben az esetben a jel pillanatnyi értékének öszszehasonlítását a trigger paraméterekkel a meghajtó szoftver végzi el, és ez kezdeményezi a mérést. Ez a technika a felhasználói program szempontjából megegyezik a hardvertriggereléssel.

10

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben Rugalmas és összetett triggerelési és időzítési célokat szolgál az NI DAQ-STC áramkör. Ez az áramkör a PFI vonalakon (programmable function input) át a külső és belső időzítő, triggerelő és vezérlő jeleket igen rugalmasan tudja a megfelelő helyeke irányítani, és ezáltal a kívánt időzítési feladatokat ellátni. A fejlett mérésadatgyűjtő kártyához, mint hardverhez szoftver is szükséges. Az eszközmeghajtó szoftver a hardver és a felhasználói szoftver között biztosítja a kapcsolatot, és beleilleszkedik a korszerű operációs rendszerek által nyújtott környezetbe. A meghajtó szoftvernek biztosítania kell a hozzáférést a kártya összes szolgáltatásához az egyszerű méréstől kezdve - a programozott kalibráción, és a több kártya szinkronizált együttműködésén keresztül, - a számítógép hálózaton át történő mérésig. Az NI-DAQ biztosítja a felhasználók számára az NI adatgyűjtő eszköz összes funkciójához való rugalmas hozzáférést. Az NI-DAQ a különböző operációs rendszerek alatt egy közös, szabványos felületet biztosít a felhasználói programok számára.

11


Az NI DAQ rendszertechnikai áttekintése mutatja (II/1.3 sz. ábra), hogy melyek azok az eszközök, és hogyan kapcsolódnak egymáshoz amelyek egy teljes működő mérési rendszer kiépítéséhez szükségesek. 6

7

5

4 3

V

f

mV

T

2

1

1 Szenzorok és jelátalakítók 2 Végberendezés illesztő 3 SCXI modul 4 SCXI készülékház 5 Illesztő kábel 6 DAQ kártya 7 PC II/1.3 ábra Rendszertechnikai felépítés

12


III.

A LabVIEW programfejlesztő rendszer általános bemutatása A LabVIEW: Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, vagyis Laboratóriumi Virtuális Műszer Mérnöki platform egy olyan grafikus fejlesztői környezet, amelyet eredeti koncepciójában virtuális műszerek készítésére terveztek. Speciális eszközöket tartalmaz a mérésadatgyűjtő hardverek kezelésére, a grafikus felhasználói felület kialakítására és a mérési adatok feldolgozására. A LabVIEW program adatút-orientált, vagyis diagramja az adatok útját tartalmazza a bemeneteken történő, -vagy virtuális- keletkezésüktől a kimeneten történő megjelenésükig. Grafikus nyelven nem írni kell a programot, hanem a diagramját kell elkészíteni. Ez megfelel a hagyományos programozási módszer blokkdiagramjának. A grafikus programozás során a felhasználó grafikus objektumokat (ikonokat) lát és kezel. Jellemzőjük a szemléletesség, a kényelmes szerkeszthetőség és a nagyfokú flexibilitás. A szövegalapú programozással ellentétben, ahol a megírt programok határozzák meg a program végrehajtását, a LabVIEW adatfolyamú programozásánál az adatok áramlási iránya jelöli ki a végrehajtást. A LabVIEW-ban a felhasználói felület eszközökből épül fel. A felhasználói felület a front panel. Az eszközöket a feladatnak megfelelően konfigurálhatjuk és így elérjük a gyors és hatékony grafikus szoftverkészítést. A frontpanel mellett (mögött) fut a blokkdiagram ablak, amely tartalmazza a front panelen megjelenő eszközök grafikus „kódját”, tulajdonképpen az un. VI-okat. Ezek a grafikus kódok több bemenettel és kimenettel rendelkeznek, amelyeket a megoldandó problémának megfelelően összekötve egy futó programot kapunk eredményül. Ez a futó program grafikusan egy blokk diagramra hasonlít. Egy-egy elkészült alkalmazást, önállóan működőképes eszközt-műszert VI-nak (Virtual Instrument) nevezünk. A LabVIEW könyvtára sok kész VI-t tartalmaz, ezzel könnyítve és gyorsítva a fejlesztő munkát. A LabVIEW el van látva a műszer- és folyamatvezérléshez szükséges elemekkel, pl.: analóg és digitális I/O, speciális méréskiértékelő függvények, stb.

13


A felhasználónak lehetősége van arra, hogy maga is készítsen VI-okat, és azokat elmentse .vi kiterjesztéssel. A rendszer tartalmaz, un. wizardokat (varázslókat), amelyek tovább gyorsítják a programozási munkát. Ilyen wizardok pl.:DAQ Channel Wizard (csatorna varázsló), Solution Wizard (megoldás varázsló), Instrument Wizard (eszköz varázsló). A DAQ Channel Wizard biztosítja, hogy a szoftverben, a mérésadatgyűjtő hardver analóg és digitális ki, ill. bemeneti csatornáira logikai nevekkel hivatkozzunk, és biztosítja a mérési eredmények fizikai egységekre való konvertálását. A Solution Wizard segítségével kiválasztható a megvalósítani kívánt funkció. Ide tartoznak többek között az oszcilloszkóp, adatregisztráló, függvénygenerátor és PID szabályozó szoftverek. Az Instrument Wizard megkönnyíti a műszerekhez kapcsolódó mérésadatgyűjtő alkalmazások fejlesztését. Ez a wizard automatikusan detektálja a számítógéphez csatlakozó eszközöket (műszereket), amelyek lehetnek soros vonali, GPIB vagy VXI műszerek, ill. a számítógép buszához közvetlenül csatlakozó „plug-in” műszerkártyák. A LabVIEW tartalmaz a tipikus és gyakran ismétlődő feladatok megoldásához ún. Toolset-eket (eszközkészleteket), amelyek nagymértékben meggyorsítják az alkalmazók munkáját. A Toolset-ekkel például megoldhatók: az adatbázishoz, Internethez való kapcsolódások, jelfeldolgozás, szabályozás (PID, fuzzy), rendszertervezés és szimuláció, képfeldolgozás, karakterfelismerés, stb. A LabVIEW-ba korszerűen integrálták az ActiveX, a DataSocket, a Multithreading és a 3D grafikát is. Az ActiveX technika könnyű átjárhatóságot biztosít a LabVIEW és más szoftver eszközök között, pl.: lehetővé válik, hogy más szoftverekből származó funkcionális egységeket építsünk a LabVIEW-ba. A DataSocket leegyszerűsíti az on-line mérési adatok továbbítását a mérőprogramok és a kijelző, ill. feldolgozó programok között. A DataSocket technika a TCP/IP protokollra épül, így a mérési adatok cseréje könnyen megoldható az Interneten, a lokális hálózaton, vagy ugyanazon a gépen futó két alkalmazás között.

14


A Multithreading teszi lehetővé, hogy az alkalmazások az operációs rendszer szintjén egymással párhuzamosan külön szálon fussanak. A LabVIEW automatikusan képes az alkalmazásait párhuzamosan futó szálakra bontani. A Multithreading-al gyorsabbak és megbízhatóbbak az alkalmazások. A 3D grafika segítségével hatékonyan szemléltethetők többváltozós mérések és számítások eredményei. A 3D-s ábrák interaktívan kezelhetők, tehát a térbeli felületek több irányból megtekinthetők és forgathatók.

15


A LabVIEW programfejlesztő rendszer működése

III/1.

A LabVIEW alapvetően két részből áll. Ezek a Front Panel, és a Block Diagram. Mindkettő interaktív, és ezen keresztül tart kapcsolatot a felhasználóval. A Front Panelhez tartozik a Context Help, amely mindig a Front Panelen aktív eszközről tartalmaz ismertetőt, megkönnyítve ezzel a gyors tájékozódást és a programozási munkát.

III/1.1

A Front Panel

III/1.1.1 ábra A Front Panel és a környezeti segítő

16


A Front Panelen lehet elhelyezni a vezérlő és kijelző eszközöket, ami nem más, mint a VI interaktív bemeneti és kimeneti terminálja. A vezérlést nyomógombok, kapcsolók és más bemeneti eszközök végzik. A kijelzőket a grafikus megjelenítések, a LED-ek, a mutatós és számkijelzős eszközök testesítik meg. A vezérlés bemeneti eszközöket szimulál és ellátja bemeneti adatokkal a VI blokkdiagramját. A kijelzők kimeneti eszközöket szimulálnak és kijelzik az adatokat, amiket a blokk diagram igényel, vagy generál.

III/1.1.2 ábra Eszközökkel ellátott Front Panel minta

17


III/2.

A Blokk Diagram

A Front Panel mögött (vele párhuzamosan) fut a Blokk Diagram. A Blokk Diagramon, a Front Panelen elhelyezett eszközök névvel ellátott blokkjai találhatók. Ezeket a technológiai, vagy mérési funkcióknak megfelelően összekötve működő rendszert kapunk. A Front Panelen elhelyezett szimbólumok terminálokként jelennek meg a Blokk Diagramban. A terminálok vezérlő vagy kijelző típusú adatokat reprezentálnak. A Front Panelen elhelyezett vezérlőt, vagy kijelzőt úgy lehet konfigurálni, hogy az ikonként, vagy adattípusú terminálként jelenjen meg a Blokk Diagramon.

III/2.1 ábra Blokk Diagram matematikai műveletekkel

18


IV.

A LabVIEW programozása A LabVIEW programozása során elengedhetetlen néhány alapkészség elsajátítása,

úgymint: VI-ok megnyitása és futtatása, új VI létrehozása és átalakítása subVI-já, ciklusok szervezése, és időzítések használata.

IV/1.

VI-ok megnyitása és futtatása

A LabVIEW indítása: Start»Programs»National»Instruments»LabVIEW 7.1»LabVIEW ikonra, vagy az asztalon elhelyezett ikonra kattintva,

ekkor megjelenik a LabVIEW bemutatkozó felülete.

A kész VI megnyitása: File»Open»LabVIEW7.1»Examples»measure»maxempl»Waveform

Generation

Using

Formu-

la.vi»OK gombra. Ekkor megjelenik a VI frontpanelje, amelyen a kezelőszervekkel tudjuk változtatni a hullám frekvenciáját, amplitúdóját, a hullám formáját. Az oszcilloszkóp képernyő jobb felső sarkában az „AM” mezőre kattintva egy legördülő menüből választhatunk a hullámra vonatkozóan színt, kitöltési formát, pont stílust, interpolációt, stb.

IV/1.1 ábra Minta VI megnyitása (Front panel)

19


IV/1.2 ábra Minta VI megnyitása (Blokk Diagram)

A Blokk Diagram a legegyszerűbben úgy érhető el, hogy a Front Panelen valamelyik elemre kattintunk az egér bal gombjával. A futtatás a Front Panel bal felső sarkában lévő nyíllal lehetséges, ( III/3.1 ábra).

20


IV/2.

Új VI létrehozása és átalakítása subVI-já Létrehozok egy olyan VI-t, amely a Celsiusban megadott hőmérsékletet Kelvinre, Fah-

renheitre és Réaumur-ra konvertálja. A Kelvin skála 100 részre osztja a víz olvadáspontja és forráspontja közötti szakaszt, de a 0oC-hoz a 273,15-ot rendeli. A Fahrenheit skála a jég olvadáspontja és a víz forráspontja közötti részt 180 egységre osztja és a jég olvadáspontjához a 32 Fo-ot rendeli. A Réaumur skála a jég olvadáspontja és víz forráspontja közötti szakaszt 80 egységre osztja. A fentieknek megfelelő VI Front Panelje és Blokk Diagramja a következő:

IV/2.1 ábra Hőmérséklet konverzió Front Panel

IV/2.2 ábra Hőmérséklet konverzió Blokk Diagram

21


Most a hőmérséklet konvertáló VI-t átalakítom subVI-ra. Ez azt jelenti, hogy a létrehozott subVI tk. szubrutinként fog viselkedni. Lesz bemenete, és lesznek kimenetei. A III/3.1 ábra jobb felső sarkában látható egy LabVIEW alapikon, benne egy 1-es számmal. Ide jobb egér gombbal kattintva legördül egy menü, ahol az Edit Icon bejegyzést választva megjelenik az ikon szerkesztő. Itt a meglévő ikont töröljük az Edit>>Clear paranccsal. Ezután a Tools-ban a téglalapra kattintva egy üres munkaablakot kapunk. Ide a Tools-ban a Text ikonra kattintva helyezhetjük el a beírandó betűket, amit a subVI meg fog jeleníteni. Ezután OK és a Front Panel jobb felső sarkában megjelenik a szerkesztett subVI ikon. A subVI be és kimeneteit is a Front Panelen kell elkészíteni. Ennek a módja a következő: jobb egérgombbal ismét a Front Panel subVI ikonjára kattintunk, majd a legördülő menüből a Show Connector pontot választjuk. Ekkor az ikon automatikusan annyi részre tagolódik, mint amennyi bemenete és kimenete van az elkészített VI-nak. Ezt követően ha a kurzorral rámutatunk, akkor az huzalozó eszközzé válik. Az egér bal gombjával kattintunk az ikon egy elemére az fekete színt vesz fel, majd a Front Panelen a hozzárendelendő elemre kattintva, az ikon előző kis fekete eleme narancssárga színt kap, jelezve ezzel az adat típusát. Ezt a műveletet minden egyes elemre elvégezzük, majd mentjük a subVI-t, hogy a későbbiekben, mint komplett szubrutint használjuk.

IV/2.3 ábra A hőmérséklet konverzió subVI ikonja

22


IV/3.

Ciklus szervezése Általában a ciklus szervezésének a lényege, hogy egy általunk definiált folyamat

mindaddig működjön, amíg valamilyen feltétel nem teljesül. Most egy While ciklussal az előzőleg elkészített hőmérséklet konverziót végző VI-t kiegészítem egy véletlen szám generátorral és egy időzítővel. Ennek hatására a beállított időközönként a véletlen szám generátor előállít egy, a hőmérsékletszámítás alapját képező számot, és az ezeknek megfelelő hőmérséklet értékek jelennek meg a képernyőn. Ez mindaddig fut, amíg a STOP gombbal meg nem állítjuk

IV/3.1 ábra A While ciklus Front Panelje

IV/3.2 ábra A While ciklus Blokk Diagramja

23


IV/4.

Az adatgyűjtő kártya analóg bemenetének alkalmazása

IV/4.1 ábra Front panel az analóg bemenet alkalmazásához

Az adatgyűjtő kártya analóg bemenetének alkalmazására változatos megoldásokat lehet készíteni. Egy lehetséges megoldás, amikor a bemenetről érkező jelet grafikusan jelenítjük meg. A kezelőszervek a mérés paramétereinek a kiválasztásához szükségesek. A minták számát és a mintavételi frekvenciát a léptető gombokkal, vagy a beviteli mezőbe írt számértékkel lehet megadni. Az „Egyszeri vagy folyamatos” mérés kiválasztás gomb és a „Mérés” gombok működése olyan, hogy a megnyomáskor zár és ebben a helyzetben marad mindaddig, amíg ismételten meg nem nyomjuk. A mentés, illetve a visszatöltés gomb csak a megnyomás idején hatásos, majd visszaáll alaphelyzetbe. A hullámforma kirajzolása automatikus skálázással történik. A helyes működés feltétele, hogy a DAQ Channel Name mezőben kiválasztjuk a mérni kívánt csatornát. Ezt beírhatjuk, vagy a legördülő menü segítségével választhatjuk ki. A STOP gomb segítségével megállíthatjuk a mérést.

24


IV/4.2 ábra Blokk diagram az analóg bemenet alkalmazásához

A blokk diagram „Case” struktúrákból és „While” ciklusból áll. A „Case” struktúra lényege, hogy a szelektorához kötött érték határozza meg, hogy éppen melyik „Case” struktúra végrehajtása történik. Természetesen az egymásba ágyazott „Case” struktúrák futhatnak egy időben is. A szelektorokhoz kötött értékek lehetnek: logikai vagy egész típusúak. A „Case” szerkezethez (terminálhoz) hibakezelőt is lehet csatlakoztatni a hibák kezeléséhez. A „Case” szerkezeten belül ún. al-diagramok készíthetők és futtathatók. A While ciklus ismétli mindaddig a beléje ágyazott subdiagramokat, amíg a feltétel teljesül. A While loop-ot kétféleképen lehet létrehozni, és a megjelenési formája is különböző. Az egyik esetben az Execution Control Expres VI-s and Structures subpalettáról, ekkor egy stop gomb megjelenik a blokk diagramon és ez hozzá van kötve a feltételes terminálhoz. Ha viszont a Structure palettán választunk ki egy While loop-ot, akkor a blokk diagramon a stop gomb nem jelenik meg. Ha a logikai érték, - ami a logikai feltétel - kapcsolója Latch When Relased, vagy Latch When Pressed, akkor a While loop csak egyszer hajtódik végre.

25


Az NI ELVIS rendszer, a próbapanel és a virtuális műszerpark

V.

Az NI ELVIS rendszer egy olyan LabVIEW alapokra támaszkodó elektronikus hardver, amely alkalmas több tudományterületen felvetődő méréstechnikai, műszerezési és irányítástechnikai feladatok megoldására. Hatékonyan alkalmazható az egyetemi mérnökképzésben. Az NI ELVIS rendszer tartalmazza a LabVIEW alapú virtuális műszerkészletet, egy speciálisan kialakított munkapadot és egy multifunkcionális (NI PCI-6251M) adatgyűjtő kártyát, ami a PC-ben van elhelyezve. Az NI PCI-6251M sorozatú DAQ kártya az eddigiekhez képest több I/O csatornát és nagyobb pontosságot biztosít. Az NI ELVIS rendszer tartalmaz minden olyan eszközt, ami egy méréstechnikai laboratóriumban szükséges. Így egyszerűsíthető és költség-hatékonnyá tehető az egyetemi és mérnöki laboratóriumok felszerelése. Mivel az eszköz a LabVIEW grafikus fejlesztőkörnyezettel együtt teljeskörű adatgyűjtést és prototípus fejlesztést tesz lehetővé, ideális eszközt jelent egyszerűbb és bonyolult oktatási feladatok megoldásához. Az NI ELVIS rendszerhez több gyártó is ajánlja a kompatibilis termékeit, pl.: a FreeScale Semiconductor (MCUSLK) programcsomagja, amely hatékony fejlesztőfelületet nyújt a mikrokontrolleres alkalmazások gyakorlati oktatásához.

V/1.

Az NI ELVIS rendszer Az NI ELVIS LabVIEW alapú szoftvereket, multifunkciós DAQ eszközt és egy proto-

típus lemeztpróbapanelt használ, hogy biztosítsa egy laboratórium funkcionalitását. A LabVIEW szoftver biztosítja az interakciót az NI ELVIS munkaállomással és a DAQ eszközzel. Emellett magas szintű programozási környezetet biztosít a kifinomult kijelzés kivitelezésére és biztosítja azt az analizáló képességet, amit a virtuális eszköz megkíván. Az NI ELVIS hardver szabályozható függvénygenerátort és kettős tápegységet tartalmaz, amely a próbapanelt látja el energiával. Az NI ELVIS az alábbi virtuális eszközök használatát biztosítja: 

Digitális multiméter (DMM)



Oszcilloszkóp

26

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben 

Függvény generátor



Szabályozható tápegység



Bode analizátor



Dinamikus jel analizátor (DSA)



Tetszőleges hullámforma generátor (ARB)



Digitális buszolvasó



Digitális buszíró



Impedancia analizátor



Kétvezetékes feszültség-áram analizátor



Háromvezetékes feszültség-áram analizátor

27


V/2.

Az NI ELVIS munkaállomás

A munkaállomás és a DAQ eszköz együtt egy komplett laboratóriumot alkotnak. A munkaállomás biztosítja az összekapcsolhatóságot és a funkcionalitást. A munkaállomás vezérlő paneljén egyszerűen működtethető kezelőszervek vannak (V/2.1 ábra), amelyekkel a függvénygenerátor és a kettős tápegység szabályozható.

V/2.1 ábra Az NI ELVIS hardver a prototípus kártyával Ezen kívül kényelmes kapcsolatot lehet létesíteni BNC és banándugós csatlakozással az NI ELVIS-nek a Scope SFP és DMM SFP eszközeivel. Az NI ELVIS szoftver irányítja a jelek útvonalát a munkaállomásban az SFP eszközök között, pl.: a függvénygenerátor kimenetét összekapcsolhatjuk a DAQ eszköz egy csatornájával, és így elérhető az oszcilloszkóp SFP kívánt csatornája. Minden elektromos, elektronikus berendezésnél fontos szempont az áramkörök védelme. A munkaállomás több olvadó biztosítót is tartalmaz (V/2.2 ábra), amelyek a DAQ eszközt védik a méréseknél előforduló hibák által okozott sérülésektől. Ilyen védőelemek védik a ±15 V-os egységet, a bemeneti (DAC) csatornákat, a +5V-os részt, illetve a front panelt és a prototípus kártyát (V/4.1 ábra). Az NI ELVIS front panelján elhelyezett kezelőszervek jól áttekinthetők. A funkcionálisan összetartozó egységek közös kontúrral jelöltek.

28


Ellenállás hálózat 3 áramkör biztosítója

+5 V biztosítói

±15 V biztosítói

DAC biztosítója A front panel és prototípus kártya biztosítói

A változtatható tápegység biztosítói

V/2.2 ábra Hátsó csatlakozópanel a biztosítékokkal

V/3.

Az NI ELVIS prototípus kártya

A próbapanel, amelyen elektronikus áramkörök állíthatók össze, a munkaállomáshoz csatlakozik (V/3.1 ábra). A panel biztosítja a szükséges kapcsolatokat, amelyek a mindennapi alkalmazásokban a jelek eléréséhez kellenek. Analóg Input, Oszcilloszkóp, Programozható I/O

Digitális I/O csatlakozó sor

Banándugós csatlakozók

Digitális Input LED kijelzők (8 csatorna)

BNC csatlakozók

9 tűs D-Sub csatlakozó

Tápegység kijelzők

DMM, Analóg kimenet, Függvény generátor, Konfigurálható I/O, Szabályozható tápegység és DC tápegység csatlakozó sor

Számláló/időzítő, Konfigurálható I/O, és DC tápegység csatlakozó sor

V/3.1 ábra A Próbapanel és csatlakozói

29


Az NI ELVIS és lehetséges alkalmazási területei

V/4.

A rendszer használható valamennyi műszaki tudományban, továbbá a fizikában és a biológiában. Ezeken a területeken való felhasználásra nem csak a szoftver szakkifejezései miatt alkalmas, hanem a hardver testre szabott jelkondicionálása miatt is, amit az NI ELVIS segítségével lehet előállítani. Az NI ELVIS alkalmas az egyetemi szintű elektronika oktatására és áramkörtervezésre a villamos, gépész és orvos-biológiai tudományok hallgatói számára. Az eszköz alkalmas komplex vizsgálatokra, mérésekre, és biztosítja az ilyen gyakorlatok számára szükséges adatmentést is. A könnyedén eltávolítható prototípus panel segítségével az alaphardver nélkül is összeállíthatók az áramkörök. Így akár egy alaphardver és több próbapanel segítségével költség hatékony oktatás valósítható meg. Az NI ELVIS SFP eszközök, mint pl.: a Bode Analizator lehetőséget adnak arra, hogy bemutatható és elsajátítható legyen a jel analízis és jelfeldolgozás. A hallgatók programozhatnak szoftver szűrőket a LabVIEW-ban, valamint építhetnek hardver szűrőket a prototípus kártypróbapanelen és összehasonlíthatják a két típus működését, hatékonyságát. Végezhetnek vizsgálatokat, hogy melyik szűrőtípusnál mennyi időbefektetés szükséges ahhoz, hogy a szűrési paramétereket meg lehessen változtatni. A gépészmérnök hallgatók ismerkedhetnek a különböző mechanikai mennyiségek mérésével, és a jelkondicionálással. Építhetnek szenzor adaptereket a próbapanelen. A programozható feszültségellátás gondoskodik a nyúlásmérő bélyeges áramkörök energiaellátásáról.

V/5.

Az NI ELVIS szoftver A LabVIEW-ban létrehozott NI ELVIS szoftver a virtuális műszerezettség előnyeit

nyújtja. A szoftvernek két fő típusa van. 

SFP eszközök



LabVIEW API az NI ELVIS hardver programozásához.

Az NI ELVIS a LabVIEW-ban létrehozott SFP eszközök és az eszközökhöz szükséges forráskódok segítségével működik. A végrehajtandó fájlok közvetlenül nem befolyásolha-

30

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben tók. Az eszközök funkcióit viszont lehet módosítani a LabVIEW kód módosításával. Ezek az eszközök a tipikus laboratóriumi alkalmazásban nélkülözhetetlenek.

V/6.

Az NI ELVIS virtuális műszerpark

V/6.1.

A digitális multiméter (DMM)

A DMM széles körben használt, szinte minden mérésnél alkalmazható eszköz (V/6.1.1 ábra), amely az alábbi típusú mérések elvégzésére alkalmas. 

Egyenfeszültség (DC)



Váltakozó feszültség (AC)



DC vagy AC áram



Ellenállás



Kapacitás



Induktivitás



Dióda tesztelés



Vezeték folytonosság mérés

A DMM segítségével kapcsolat létesíthető az NI ELVIS prototípus kártyáról, vagy banándugóval a munkaállomás front paneljéről.

V/6.1.1 ábra Digitális multiméter

31


V/6.2.

Az oszcilloszkóp

A eszköz (V/6.2.1 ábra) a tipikus asztali oszcilloszkóp funkcióját biztosítja. Az oszcilloszkópnak két csatornája van. Kezelőszervei a méréshatár váltásra, pozíció beállításra, és időalap beállításra szolgálnak. Kiválasztható a (trigger) forrás és a szint. Az önműködő átszámítás tulajdonsága lehetővé teszi, hogy az AC jel csúcstól-csúcsig mért értéke a lehető legpontosabban kerüljön megjelenítésre.

V/6.2.1 ábra Az oszcilloszkóp

Az NI ELVIS hardverhez csatlakoztatott DAQ eszköztől függően választhatunk a digitális és analóg triggerelés között. Az oszcilloszkóphoz csatlakozni lehet az NI ELVIS prototípus lemezpróbapanelről és a BNC csatlakozókról, melyek a munkaállomás front paneljén találhatók. A függvénygenerátor vagy a DMM jelei is rávezethetők az oszcilloszkópra. Az oszcilloszkópon kurzorokat jeleníthetünk meg, és ezek segítségével pontos jel leolvasást végezhetünk. Az oszcilloszkóp mintavételi sebessége a hardverhez kötött és a DAQ eszköz mintavételi sebessége által meghatározott.

32


V/6.3.

A függvénygenerátor

A függvénygenerátor (V/6.3.1 ábra) biztosítja a választást a kimeneti hullámformák (sinus, négyszög, vagy háromszög jel) esetében. Beállítható a jel amplitúdója és frekvenciája, valamint a DC szint eltolás.

V/6.3.1 ábra A függvény generátor

V/6.4.

A Bode analizátor

A Bode analizátor (V/6.4.1 ábra) egy olyan komplex „műszer” (eszköz), amelynek a segítségével mérhetjük az erősítő amplitúdó-menetét és fázismenetét a frekvencia függvényében. A frekvencia tengely mindig logaritmikus léptékben adott, ez nem változtatható. Az Y tengely az amplitúdó menet esetén kétféle lehetőséget kínál, úgymint: dB, és lineáris. Az eszköz aktív és passzív áramkörök mérésére egyaránt alkalmas. Lehetőség van az eszköz alaphelyzetbe állítására. Néhány hasznos tanács elmondható a Bode analizátor használatával kapcsolatban. Az áramkörök vizsgálatánál körültekintően kell megválasztani a gerjesztő-jel amplitúdót, hogy a kimenet ne menjen telítésbe. Mit jelent ez? Azt, hogy a passzív áramköröket, mint pl.: egy integráló, vagy differenciáló négy pólust nagy be-

33

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben meneti jelszinttel is vizsgálhatunk, de egy erősítő áramkör bemenetét, maximum a kivezérelhetőségének a mértékéig vezéreljük. Célszerű a beépített függvénygenerátor kimenetét használni gerjesztő jelként. Az áramkörök hidegpontját fizikailag is célszerű földpotenciálra helyezni, a korrekt mérési eredmények biztosítása céljából.

V/6.4.1 ábra A Bode analizátor A Bode analizátorral történő mérés az alábbi lépésekből áll. 

Áramkör létrehozása az NI ELVIS prototípus kártyán.



Az áramkör csatlakoztatása a Funkciógenerátorhoz úgy, hogy a FUNC-OUT az áramkör „melegpontja”, míg a GROUND a „hidegpontja”.



A funkciógenerátor FUNC-OUT jelét csatlakoztassuk a Bode analizátor ACH1+ csatorna AI bemenetéhez, míg az ACH1- a GROUND jelhez csatlakozik a prototípus kártyán.



A fizikailag elkészített áramkör kimenetét a Bode analizátor ACH0+ csatorna AI pontjához, míg az áramkör „hidegpontját” az ACH0- csatlakozáshoz.



Ezután el kell indítani a Bode analizátort az NI ELVIS Instrument Launcher-ből.



Ki kell választani a START és STOP gombokkal a vizsgálni kívánt frekvencia tartomány kezdő és végpontját (1Hz-35kHz) és a RUN gombbal elindítani a mérést.

34


V/6.5.

Dinamikus jel analizátor

Az alapszintű mérési alkalmazásokat meghaladó mérőeszköz sok szolgáltatással. A mérés során a DAQ eszköz analóg kimenetét használja fel. Folyamatos, vagy egyszeri mintavett mérésre alkalmas.

V/6.5.1 ábra Dinamikus jel analizátor

Ennél az eszköznél ki kell választani a bemeneti csatornát, a frekvencia értéket, a jelalak vizualizálás matematikai módját, a trigger jelforrást és a skálázást, hogy kézi, vagy automatikus. Továbbá lehetséges a vonalzók megjelenítése a pontosabb kiértékelhetőség szempontjából. Használhatunk ablakozó technikát is, amelyből kilenc fajta áll rendelkezésre, úgymint: Hanning, Hamming, Blackman-Harris, Exact-Blackman, Blackman, Flat Top, 4 Term B-Harris, 7 Term B-Harris, és Low Sidelobe. A V/6.5.1 ábrán egy µA741-es IC-vel megépített invertáló AC erősítő analizált jele látható ablakozás nélkül.

35


V/6.6.

Tetszőleges hullámforma generátor

Ez az eszköz is a haladó szintű mérésekhez szükséges. A hullámforma szerkesztő (V/6.6.1 ábra) szoftver használatával tetszőleges hullámformák előállítása lehetséges. A szerkesztő által létrehozott hullámformák letölthetők a hullámforma generátorba, amely ez alapján generálja a tárolt formákat.

V/6.6.1 ábra Tetszőleges hullámforma generátor Mivel egy DAQ eszköznek két AO csatornája van, két hullámformát lehet egyszerre generálni. Választhatunk egy folytonos, vagy egy egyszeri kimenetet.

36


V/6.7.

Digitális buszolvasó

Ez az eszköz (V/6.7.1 ábra) az NI ELVIS digitális bemeneti buszról beolvassa az adatokat. A buszról lehet folyamatosan, vagy szakaszosan olvasni.

V/6.7.1 ábra Digitális buszolvasó Az ábrából láthatóan a digitális bemenetre maximum nyolcbites kód érkezhet, amit BCD kódban ad vissza, tehát két darab hexadecimális számot. Jelen esetben A4(H) a viszszaadott érték.

V/6.8.

Digitális buszíró

A digitális buszíró (V/6.8.1 ábra) felfrissíti az NI ELVIS digitális kimeneti buszát a felhasználó specifikus digitális mintákkal. Manuálisan is létrehozhatunk mintát, vagy választhatunk az előre definiált jelekből.. Az eszköz vagy folyamatos, vagy pedig egyszeres minta kiadására alkalmas. Az buszíró kimenete zárva van mindaddig, amíg egy minta kiírása folyik. Az eszköz feszültség kimenete TTL kompatibilis. Az eszköz előlapon be tudjuk állítani az aktuális digitális kódot, amely hexadecimális alakban is megjelenik. A Write gomb megnyomásával kezdődik az írás. Lehetőség van digitális jelek forgatására (Rotate), és léptetésére (Shift) is. A mintaképpel (Pattern) kiválaszthatjuk, hogy milyen módon jelenjenek meg a bevitt bitek. Jelen ábrán (V/6.8.1 ábra) a beállított bitek forgatása történik.

37


V/6.8.1 ábra A digitális buszíró V/6.9.

Impedancia analizátor

Ez egy alap impedancia analizátor, amely ellenállás és reaktancia mérésére alkalmas, két kivezetéssel rendelkező elemek esetében, adott frekvencián.

V/6.9.1 ábra Impedancia analizátor

38


A „Visible Section” gomb segítségével kiválaszthatjuk, hogy melyik sík-negyedben jelenjen meg az ábra. A „Scale” gombbal pedig a lineáris vagy logaritmikus skála között lehet választani. Alapértelmezésben a lineáris skálát használja az eszköz.

V/6.10.

Háromvezetékes feszültség-áram analizátor

Az eszköz segítségével bipoláris tranzisztorok vizsgálatát lehet elvégezni. Az V/6.10.1 ábrán egy BC300 npn típusú bipoláris tranzisztor kimeneti karakterisztikája látható. Hiányossága az eszköznek, hogy csak npn típusú tranzisztorok vizsgálatára alkalmas.

V/6.10.1 ábra Háromvezetékes feszültség-áram analizátor

39


Az ELVIS rendszer eszközeinek programjai

VI.

Az előző fejezetben röviden bemutattam az NI ELVIS rendszer eszközkészletét, amelyből most a függvény generátor, alkalmazására mutatok egy mintaprogramot.

VI/1.

A függvénygenerátor alkalmazása

VI/1.1 ábra a függvénygenerátor egy lehetséges alkalmazása

Ez az áramkör egy többcsatornás mintavételre mutat példát, ahol a funkció generátor a meghajtó szerepét tölti be. Az NI LabVIEW-ban ill. az NI ELVIS-ben megtalálható eszközök alkalmazásának lehetősége széleskörű. A példák szemléltetik, egy lehetséges áramköri kialakításukat. Az eszközök alkalmazásánál fontos, hogy a Context Help által mutatott VI objektum esetén azok a csatlakozási pontok, amelyek vastag betűvel vannak szedve minden körülmények között bekötendők. Ennek hiányában hibaüzenetet küld, ill. a „törött” futtatás nyíl az elkészített program hibájára utal.

40


VII. A mérések bemutatása.

A műveleti erősítők témakörében 10 db mérést vizsgálok. Ezen mérések célja, bemutatni az analóg műveleti erősítők fontosabb alapkapcsolásait és az azokon végzett méréseket az NI ELVIS rendszerben. A bemutatásra kerülő áramkörök mindegyikénél van közös elvégzendő feladat, mint pl.: az ofszet kompenzálás, amelyet minden esetben ugyanúgy kell elvégezni, ezért arra csak az első mérés során térek ki. A bemutatáskor a mérési eredményeket szövegközi ábrákon keresztül interpretálom. A mérés programját, amely az interaktivitást biztosítja a felhasználó felé, a következő fejezetben tárgyalom. A műveleti erősítős áramkörök elvi kapcsolási rajzát, az áramköri elemek értékét, valamint az elvégzendő feladatokat a mérések elején részletesen leírom. Az egyes mérések összeállításáról fotókat készítettem (szintén szövegközi ábrák), hogy azok bármikor reprodukálhatóak legyenek. Ebben a fejezetben a mérések során az NI ELVIS hardver a mérésadatgyűjtő kártyához csatlakozik. A próbapanelen összeállított kapcsolásokat az NI ELVIS saját hardver eszközeivel táplálom, ezek a funkciógenerátor és a szabályozható ±15V-os kettős tápegység. A mért értékeket viszont a mérésadatgyűjtő kártya, valamint az NI ELVIS szoftver segítségével a PC monitorán jelenítem meg. A hardver elemeken történő bármilyen irányú beavatkozás a monitoron lévő virtuális műszeren azonnal nyomon követhető. Ezt a tényt a szövegközi ábrák illusztrálják. Magát a mérést meg kell előzze a mérésadatgyűjtő kártya konfigurálása, amelyre itt terjedelmi okok miatt nem térek ki. Szükséges viszont megemlíteni az NIELVIS hardver kalibrálását, amit a Calibration Wizard program segítségével lehet megvalósítani. A rendszer ezt a folyamatot némi felhasználói beavatkozás (a prototípus kártyánpróbapanelen történő összekötések megvalósítása) mellett önállóan végzi. A kalibrálás során a kettős tápegység és a funkció generátor kerül beállításra. Ezek a kalibrált értékek mindaddig megmaradnak, amíg új kalibrációt nem végzünk. Tapasztalataim szerint a kalibrálást kéthavonta célszerű elvégezni még akkor is, ha közben a rendszer használaton kívül volt, hiszen ez a korrekt mérések alapját képezi.

41


VII/1.

Invertáló AC erősítő vizsgálata

VII/1.1 ábra Az invertáló AC erősítő elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A kapcsolás összeállítása (VII/1.2 ábra) 2. Az ofszet kiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra). 3. Az erősítő bemenetének táplálása 1 Veff értékű szinuszosan váltakozó jellel a 10Hz…20kHz tartományban. Az amplitúdó karakterisztika ábrázolása és a töréspontok meghatározása. 4. A kivezérelhetőség és az erősítési érték meghatározása. 5. A -3dB-es alsó határfrekvencia meghatározása.

42

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben R1

+Ut

Ube R2 µA741 -Ut

R3

Uki Ofszet kiegyenlítés

GND VII/1.2 ábra Az invertáló AC erősítő összeállítása

A mérés összeállításánál igyekeztem olyan elrendezést készíteni, amely egyértelműen következik az elvi kapcsolási rajzból. A vezeték színeknek a működés megértése szempontjából nincs jelentősége, de az egyes jelek megkülönböztetéséhez támpontot ad. A fotón jól látható az ofszet kiegyenlítést végző potenciométer. A kiegyenlítés „sikeressége” a VII/1.3 ábrán látható. Ebből kitűnik, hogy az Ube=0V bemeneti jel esetén sem lehet az Uki=0V kimeneti jelet biztosítani. Ez abból következik, hogy maga a műveleti erősítő sem tökéletes, és a kiegyenlítésre használt potenciométer sem az. Az ofszet kiegyenlítésre helikális potenciométert használtam, mert a trimmer potenciométerekkel csak nagyságrendileg rosszabb kompenzálás érhető el. Mindamellett a µA741-es műveleti erősítőnél az így elért Uofsz=5µV-os ofszet eltérés kielégítő értékű. Az ofszet kompenzálás a műveleti erősítőkkel végzett mérések során kulcsfontosságú. Ennek a (rész, de fontos) tevékenységnek a körültekintő elvégzése meghatározza a mérések további pontosságát és kiértékelhetőségét. Az ofszetelés során az invertáló és neminvertáló bemeneteket azonos potenciálra hozzuk, és így „elvileg”elérjük, hogy IN=0A, tehát UNP=UD=0V. Ez az elmélet, a gyakorlat viszont, hogy UD≠0V, mint ahogy azt a VII/1.3 ábra mutatja.

43


VII/1.3 ábra Az ofszet kompenzálás eredménye

Az erősítő 1Veff értékű szinuszos jellel történő táplálásának az a célja, hogy megismerjük a frekvencia átvitelét és az erősítését, egy általunk választott frekvencia tartományban. Így végigpásztázzuk az 1Veff amplitúdójú bemeneti jel mellett a kívánt frekvenciatartományt, amit a gyakorlatban sweep technikának nevezünk. Az NI ELVIS rendszerben a feladat elvégzésére két mód kínálkozik. Az egyik, hogy az NI ELVIS Bode analizátorával interaktív módon végigpásztázzuk a beállított frekvenciatartományt, a másik, hogy a LabVIEW-ban írunk programot, amely elvégzi ezt a feladatot és megjeleníti pl.: egy Waveform Graph segítségével, amely azután kiértékelhető. A VII/1.2 ábrán rögzített invertáló AC erősítőnek az NI ELVIS Bode analizátorának segítségével készített amplitúdó és fázismenete látható a VII/1.4 ábrán. A Bode diagram klasszikusan képet mutat. Alacsony frekvenciákon pl.: 10Hz-nél még erősítés nem tapasztalható, hiszen au=-15dB. Ugyanakkor látható a +20 dB/dekád meredekséggel emelkedő egyenes. Az erősítőnek az fah=135,94Hz-es frekvencia az alsó határfrekvenciája, itt van a -3dB-es pontja. A maximális erősítése aumax≈7dB. Problémát jelent, hogy az NI ELVIS rendszer csak 35kHz-es frekvenciáig tud vizsgálatokat végezni. Ennek eredménye, hogy az erősítő felső határfrekvenciájáról nem lehet információt szerezni. Az erősítőnek egy nagyon fontos jellemzőjét, a sávszélességét nem lehet ezzel az eszközzel meghatározni. Egy kontroll programmal történő meghatározás eredménye látható a mellékletben.

44


VII/1.4 ábra Bode diagram

Az oszcilloszkópos ábrák a mellékletben láthatók. Mint kitűnik alakra minden ábra egyforma, tehát a fázisforgatás pl.: 10Hz-es bemeneti jel esetén ugyan olyan mint 20kHz-es jel esetén, azaz 180O. Az erősítés is végig megállapítható, ami az alkatrészértékekből számítottakkal egyezik, tehát a valóságnak megfelel. Igaz 35kHz-en a kimeneti jel már torzít, de a fázisforgatás ott is 180O. Az oszcilloszkópos értékek tehát a valósággal szinkronban vannak, analízisre alkalmasak. Felvetődik a kérdés, hogy miért éppen a 35kHz az utolsó vizsgált frekvenciaérték. Azért, mert az NI ELVIS rendszer Bode analizátorán az interaktivitásnak köszönhetően hiába állít a felhasználó akár 100kHz-es felső vizsgálati frekvenciaértéket, a rendszer felülbírálja és csak 35kHz-es méréshatárig képes a vizsgálatokat elvégezni. Ez az esetek jelentős részében nem elegendő.

45


Hogy több információt kapjak, a VII/1.2 ábra kapcsolását valós műszerekkel, ill. működőképes szimulációs programokkal vizsgálva az alsó határfrekvencia 136Hz, a felső határfrekvencia pedig 370kHz értékűre adódik. Terjedelmi okokból ezeknek a méréseknek a részleteit nem áll módomban közölni. A mellékletben a 20kHZ-es oszcilloszkópos ábrán látható jel kiértékelhetősége kívánnivalót hagy maga után, de sajnos a kívánt módon nem változtatható meg, mert nemes egyszerűséggel az oszcilloszkóp Time/div beállítási lehetőségénél a 20µS-os értéket kihagyták, ami felfogható figyelmetlenségnek is, de a használatát ez korlátozza. Ettől eltekintve az oszcilloszkóppal korrekt mérések végezhetők. Egy másik „árnyék” az NI ELVIS rendszerre, hogy a potenciométerekkel történő beavatkozás eredménye (amplitúdó, frekvencia értékek) időben nem állandóak, a kalibrálás ellenére sem. A rendszer fent említett hiányosságait a többi ismertetésre kerülő mérésnél figyelembe vettem, továbbá minden egyes mérést valós fizikai műszerekkel is elvégeztem az ellenőrzés céljából. Általánosságban (megbízható műszerekkel és módszerekkel végzett mérések esetén) is igaz, hogy egy mérés nem mérés, sőt két mérés felel meg egy mérésnek, de az NI ELVIS rendszernél még sok mérés sem biztos, hogy felér egy jó méréssel. Az NI az ELVIS-hez a PCI 6251 típusú M sorozatú mérésadatgyűjtő kártyát ajánlja, de bizonyítottan (nem csak nálam) a működése nem mentes a problémáktól. A kivezérelhetőség méréséhez egy új kapcsolást készítettem a próbapanelen (VII/1.5 ábra). Ennek az oka, hogy több beállítási lehetőséggel lehessen lefuttatni az elkészített LabVIEW programot. Ebben a kapcsolásban, a visszacsatoló ágban elhelyeztem egy 500kΩ-os potenciométert, az erősítés változtatására. További kiegészítés, egy 1:2 osztásarányú feszültségosztó az erősítő kimenete és a mérésadatgyűjtő kártya között. Erre azért van szükség, mert a PCI 6251 típusú mérésadatgyűjtő kártya bemenete ±10V feszültségjel fogadására alkalmas, viszont az erősítő kimeneti feszültsége ettől magasabb érték is lehet. Magát az elkészített programot, amivel a kivezérelhetőséget meghatározom, a VIII. fejezetben mutatom be. Itt csak az új kapcsolás és a futtatási front panel látható.

46


ACH1- csatorna

ACH1+ csatorna

Feszültség osztó

Potenciométer Funkciógenerátor kimenet

VII/1.5 ábra Kiegészített kapcsolás a kivezérelhetőség vizsgálatához

VII/1.6 ábra A kivezérelhetőség meghatározásának a frontpanelje futtatás után

47

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben VII/2.

Összegző áramkör vizsgálata

VII/2.1 ábra Az összegző áramkör elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A kapcsolás összeállítása (VII/2.2 ábra). 2. Ofszetkiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra). 3. Uki meghatározása úgy, hogy ha Ua=3V és Ub= -4V. Az Ua és Ub bemeneti feszültségek súlyának meghatározása az Uki-ben. 4. Az Ub bemenet 1Veff értékű szinuszos jellel történő táplálása, miközben az Ua bemeneten a DC jel olyan változtatása, hogy Uki lüktető DC jel legyen. Az így beállított DC jel nagyságának meghatározása. Hogyan változik a kimeneti jel alakja, ha az Ua értéke ±5V-os tartományban változik?

48


Ua (R1) R3 Ub (R2) R4

Uki

VII/2.2 ábra Az összegző erősítő összeállítása

Az összegző erősítő feladata, hogy a bemeneteire érkező jelek előjelhelyes összegét jelenítse meg a kimenetén feszültség formájában. A bemenetek száma elvileg korlátlan darabszámú lehet. Az összegző erősítő a bemeneteken elhelyezett ellenállásokon átfolyó áramokat összegzi. Az összegző erősítőknél három alapvető eset különböztethető meg, nevezetesen amikor a bemeneti ellenállások azonosak (R1=R2=…Rn), ill. amikor a bemeneti

ellenállások

(R1=R2=…Rn=Rv),

a

visszacsatoló

valamint

amikor

ellenállással az

is

ellenállások

megegyeznek, különböző

tehát

értékűek

(R1≠R2…≠Rn≠Rv). Rv n   U be . Rs i 1

Ha

R1  R 2  ...Rn, akkor U ki  

Ha

R1  R 2  .... Rn  Rv, akkor U ki   U be .

n

i 1

Ha R1≠R2≠…≠Rn≠Rv, akkor az egyes bemeneti jel értékek különböző súllyal esnek latba a kimeneti jelben, (ilyen a VII/2.2 ábra kapcsolása). A mérés során probléma jelentkezett az NI ELVIS digitális multiméterével, mert ugyanazon feszültséget pl.: Ube=4V, attól függően, hogy (+) vagy (-) csatornáján mértem a mutatott érték a (+) csatornán 4V, míg a (-) csatornán 3,66V-nak adódott. A (+) és (-) csatornákat hardveresen lehet és kell kiválasztani a mérés során.

49


Ezt a hibát is figyelembe vettem és egy külső DMM-el is ellenőriztem a bemeneti feszültségeket.

VII/2.3 ábra Ua értéke

VII/2.4 ábra Ub értéke

VII/2.5 ábra Uki értéke A súlyozás meghatározása a következő képen lehetséges: 7 HaUa  3V , és Ub  4V , akkor az éppen . Ekkor : 7 3 Ua részarányaU ki  ben :  5,852  2,508V , és 7 4 Ub részarányaU ki  ben :  5,852  3,344V . Százalékosan : 7 2,508 Ua részarányaU ki  ben :  100%  42,857%, vala min t 5,852 3,344 Ub részarányaU ki  ben :  100%  57,143%. 5,852

50

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben A váltakozó bemeneti jel hatására történő kimeneti jelváltozás vizsgálatához az NI ELVIS-en kívül folyamatosan szükség volt külső DMM-re is, hiszen a rendszernek csak egy darab beépített DMM-je van. Igaz azzal is lehet mérni többféle feszültséget, csak akkor hardveresen kell mindig a csatlakozásokat változtatni, ami kényelmetlen és főként kellemetlen feladat mérés közben.

VII/2.6 ábra Ua=0V DC, Ub=1Veff AC

VII/2.7 ábra Oszcilloszkópos válasz

Uki

VII/2.8 ábra Ua=5V DC, Ub=1Veff AC

Ube


51


Uki

VII/2.10 ábra Ua= -5V DC, Ub=1Veff AC

Ube


Ha az 1Veff értékű 1kHz-es AC jelhez 0V-os DC jelet adunk, akkor a kimeneti jel éppen lüktető lesz, ha viszont az 1Veff értékű 1kHz-es AC jelhez +5V-os DC jelet adunk, akkor a kimeneti jel 0V lesz. Ha az 1Veff értékű 1kHz-es AC bemeneti jelhez -5V-os DC jelet adunk, akkor a kimeneti jel a bemeneti jellel éppen ellenfázisban lévő felerősített jel lesz. Tulajdonképpen az összegző erősítő bemenetére a DC jelre szuperponált 1kHz-es jel kerül és ezt a jelet erősíti az erősítő.

52


VII/3.

Integrátor áramkör vizsgálata

VII/3.1 ábra Az integrátor áramkör elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A mérés összeállítása (VII/3.2 ábra) 2. Az ofszetkiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra) 3. A bemenet vezérlése 1Veff értékű szinuszosan váltakozó jellel, és az amplitúdó karakterisztika felvétele. Az integrálási időállandó meghatározása számítással, továbbá annak meghatározása az amplitúdó menete alapján, hogy a kapcsolás milyen tartományban használható integrátorként. 4. Az integrátor bemenetének ±1V-os négyszögjellel (amelynek lineáris középértéke 0V) való táplálása, 100Hz, 1kHz,és 5kHz-es frekvenciákkal. A jelalakok megjelenítése és értelmezése. 5. Az integrátor bemenetének, az integrálási időállandónak megfelelő frekvenciájú 1V eff értékű szinuszos jellel történő táplálása, és az Ube és Uki fáziskülönbségének a meghatározása.

53


C R2

Ube (R1)

R3 Uki

VII/3.2 ábra Az integrátor áramkör összeállítása

Az integrátor kimeneti feszültsége a bementi feszültség idő szerinti integráljával arányos. Az arányossági tényező a Ti=R1*C integrálási időállandó. Tehát: U ki  

1  U be dt  U 0 , ahol Uo a kezdeti feltételnek megfelelően fellépő Ti

feszültség. Ha az integrátor bemenetére ω körfrekvenciájú szinuszos jelet adunk, akkor a kimeneti jel U ki    

U be    jTi

1 1 j

 1

Az integrátoroknál értelmezzük a kisfrekvenciás és a nagyfrekvenciás integrálási hibát. A kisfrekvenciás integrálási hiba úgy jelentkezik, hogy ha az integrátor bemenetére Ube amplitúdójú egységugrás jelet adunk, akkor a kimeneti jele nem az ideálisnak megfelelő, tehát, nem: t  TC  t TC  U ki t   U be , hanem : U ki t   U be   1  e Ti Ti 

54

 , ahol TC  R2  C  


A nagyfrekvenciás integrálási hiba viszont úgy jelentkezik, hogy a bemenetet szintén Ube amplitúdójú egységugrás jellel gerjesztve a válasz nem az ideálisnak megfelelő, tehát nem: t    U t , hanem : U ki t    be  t  T1  1  e Ti Ti Ti   körfrekvenciához tartozó periódusidő .

U ki t   U be 

 , ahol T1 az 1 vágási  

VII/3.3 ábra Az integrátor Bode diagramja

A Bode diagramról leolvasható, hogy a kapcsolás integrátorként ~250Hz-től használható. Az azt megelőző szakaszon arányos tagként viselkedik. A megvalósított kapcsolás alkatrészeiből számított időállandó: Ti=R1*C=120µs. Ha az integrátor bemenetére ±1V amplitúdójú 100Hz, 1,0kHz, és 5kHz frekvenciájú négyszögjeleket adunk, akkor a kimeneti jelek a VII/3.4, VII/3.5, VII/3.6 ábrákon láthatóak.

55


VII/3.4 ábra 100Hz-es négyszögjel esetén

VII/3.5 ábra 1,0kHz-es négyszögjel esetén

56


VII/3.6 ábra 5kHz-es négyszögjel esetén

Az ábrákból látható, hogy az integrátor alkalmas háromszögjel előállítására, ami alacsony frekvencián (100Hz), még torz alakot mutat, de a frekvencia emelésével a háromszögjel alakja egyre inkább tart az ideális felé. Ennek azonban erősítéscsökkenés az ára. Az erősítéscsökkenés magyarázata, hogy a frekvencia emelésével a kondenzátor impedanciája csökken és így a visszacsatoló RC tag impedanciája is csökken, ami végső soron a kimeneti jel amplitúdójának csökkenését eredményezi.

57


VII/3.7 ábra Az f=1/Ti frekvenciájú bemeneti jel és az integrátor válaszjele.

Az integrátor Ti=120µs időállandójának megfelelő 8333Hz frekvenciájú szinuszos jellel történő táplálás esetén a kimeneti jel T=24µs-os fáziseltérést mutat, és természetesen fázist fordít. A fáziseltérés így pontosan 20%-os a bemeneti jelhez képest.

58


VII/4.

PI-alaptag vizsgálata

VII/4.1 ábra A PI-alaptag elvi kapcsolási rajza.

Mérési feladatok: 1. A mérés összeállítása (VII/4.2ábra). 2. Ofszet kiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra). 3. Az áramkör vezérlése 1Veff értékű szinuszosan váltakozó jellel 20Hz…10kHz tartományban. Az amplitúdó karakterisztika ábrázolása: A P és I tartományok meghatározása a karakterisztika alapján. Az eredmények ellenőrzése a kapcsolási rajz alapján. 4. A PI tag bemenetének ±1V amplitúdójú négyszögjellel (0V lineáris középértékű) történő vezérlése 100Hz, 1kHz és 10kHz frekvenciákon, és a kapott jelalakok értelmezése.

59


R4

Ube (R1)

R2

R3 C Uki

VII/4.2 ábra A PI-alaptag összeállítása

A PI tag egyesíti magában az arányos és az integráló jelleget. Karakterisztikájában a Ti után állási idő azt jelenti, hogy a Ti idő alatt annyit változik a jel amplitúdója, mint az arányos hatás következtében a bemeneti jel megjelenésének a pillanatában.

h(t)

AI=AP AP

0

t (s)

TI VII/4.3 ábra A PI tag TI idejének értelmezése

60

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben  1  , Az ideális PI jelformáló tulajdonságú tag átviteli függvénye: Y s   AP  1   sTI  ahol AP a PI tag arányos átviteli tényezője.

Az integráló hatás bevitelének a célja szabályozástechnikai szempontból, hogy a szabályozás statikus pontosságát növeljük. A pontosság növekedésének viszont ára van, nevezetesen a szabályozási folyamat bizonyos mértékű lassulását eredményezi. A PI tag megvalósítása kétféleképpen lehetséges, az egyik a VII/4.1 ábra szerinti, amikor (-) visszacsatolást alkalmazunk (jelen mérés tárgya), a másik a (+) visszacsatolás alkalmazása, amikor a visszacsatoló ágban nem egyszerűen egy arányos tagot, hanem egy egytárolós arányos tagot (P1T) alkalmazunk. A negatív visszacsatoláskor a lineáris „A” átviteli tényezőjű erősítőt egy időkéséses differenciáló taggal visszacsatoljuk és így nyerjük a villamos szabályozóknál alkalmazott PI tagot, és így a rendszer az alábbi eredő átviteli függvénnyel írható le: Y s  

A sT1 1 A 1  sT2



1  sT2 1  1  sT2   sT1 A

Műveleti erősítőt alkalmazva teljesül az A>>1 feltétel, és ebben az esetben a rendszer kimeneti

feszültségét U ki  

R2 R1

 1    U be az: egyenlet írja le.  1   sTI 

A PI tag Bode diagramját vizsgálva (VII/4.4 ábra), egy klasszikus aktív PI tagra jellemző képet látunk. A tag arányos szakasza 200Hz-ig tart, majd ezt követi az integráló jelleg, -20dB/dekád kezdeti meredekséggel. A mérés mellékletében látható egy szabályosabb Bode diagram, ami nem az NI ELVIS rendszerével készült. A négyszögjellel való táplálás eredményét a VII/4.5, VII/4.6, VII/4.7 ábrákon mutatom be. Ezek (a többszörös ellenőrzésekkel egyezően) valamelyest helyes eredményt mutatnak. Főként az 1kHz-s táplálás esetén, amikor is ez az áramkör szabályos fűrészjelet szolgáltat. Az oszcilloszkópos ábrákból látható, hogy az NI ELVIS funkciógenerátora frekvenciafüggő módon táplálja a terhelést jelentő PI tagot.

61


VII/4.4 ábra A PI tag NI ELVIS-el készített Bode diagramja

VII/4.5 ábra 100Hz-es négyszög táplálás

VII/4.6 ábra 1kHz-es négyszög táplálás

62


VII/4.7 ábra 10kHz-es négyszög táplálás

Alacsony frekvencián f<1kHz a funkciógenerátor kimeneti négyszögjele erősen torzul, mivel a PI tag nagy terhelést jelent a számára. Növekvő frekvenciáknál egyre szabályosabb a négyszögjel alakja. A kimeneti jeleket vizsgálva láthatjuk, hogy f=100Hz esetén közel trapéz jelet kapunk, ami persze a valóságban nem teljesen igaz. Most így a PI tag túl van vezérelve. Ilyen táplálás esetén a kondenzátor töltési és kisütési folyamatát mutató kimeneti jelet kellene kapni. Ezt kisebb Ube esetén produkálja is a rendszer Uki képében, de ekkor már Ube-nek „semmi köze” a négyszögjel alakjához. Ezt mutatja a VII/4.8 ábra, amikor Ube=0,1V-os négyszögjel a táplálás. Az f=10kHz-es táplálás estén a kimeneti jel alakja már valamelyest követi a bemeneti jel alakját.

VII/4.8 ábra Ube=0,1V négyszög jel

63


VII/5.

PD-alaptag vizsgálata

VII/5.1 ábra A PD-alaptag elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A kapcsolás összeállítása (VII/5.2 ábra). 2. Az ofszetkiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra). 3. A bemenet vezérlése Ube=0,5Veff értékű szinuszosan váltakozó jellel, az 50Hz…20kHz-es tartományban. Az amplitúdó karakterisztika felvétele. A P és D tartományok meghatározása. 4. A bemenet ±0,5V-os amplitúdójú (lineáris középértéke 0V) négyszögjellel való vezérlése és a kapott jelalakok értelmezése.

64

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben R3

R2

Ube (R1)

C

Uki R4

VII/5.2 ábra A PD-alaptag összeállítása A PD jelformáló hatás egyesíti magában az arányos és a differenciáló tulajdonságokat. Az ideális PD tag egy P és egy D tag párhuzamos kapcsolásával állítható elő (VII/5.1 ábra). Az ideális PD tag átviteli függvénye:  A  Y s   AP  1  s  D   AP  1  sTD AP  

Az összefüggésben „AP” a PD tag arányos átviteli tényezője, a TD

pe-

dig a PD tag differenciálási ideje, amit elébevágási időnek is neve- TD  AD AP . zünk, és: Definíciószerűen a TD differenciálási idő a PD jelformáló tag azon jellemző ideje, amely alatt az átmeneti függvényben az arányos hatásból származó jelterület éppen eléri a differenciáló hatásból származó jelterület nagyságát (VII/5.3 ábra). Ideális PD tag a gyakorlatban nem valósítható meg, mert nagy meredekségű jelekre végtelen impulzust eredményezne. A valóságos PD tagot így egy egytárolós differenciáló és arányos tag párhuzamos kapcsolásával hozzuk létre (VII/5.1 ábra). A gyakorlatban megvalósítható PD tag átviteli függvénye: sTD  1  sT1  Y s   AP  1  ; és T1  T2 .   AP  1  sT2  1  sT 

65

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben Az összefüggésben T1=TD+T, és T2=T. A helyes működéshez T1/T2=5÷10 között kell legyen.

h(t)

AP 

TD T

Ideális differenciáló tag Valóságos PD jelformáló

1 AP

0 T2=T TD=T1

t (s)

VII/5.3 ábra A TD differenciálási idő értelmezése A VII/5.1 ábra kapcsolásában az eddigiek alapján Uki meghatározása:

U ki  

R2  1  sTD   U be , ahol TD  R3  C. R1

A kapcsolásban R1 segítségével az arányos erősítés, míg R3-al a differenciálási idő változtatható. A VII/5.4 ábrán látható az NI ELVIS segítségével készített Bode diagram, amelynek amplitúdó-frekvencia menete egy valóságos PD tag jellemzőit mutatja. Az arányos szakasz ~650Hz-ig tart, majd ettől a ponttól tovább a differenciáló szakasz. A rendszer TD differenciálási ideje 270µs. A mellékletben található a szabályos Bode diagram, amelyből az is megállapítható, hogy a rendszer vágási körfrekvenciája a 710KHz-es értéknél van, továbbá, hogy a függvény inflexiós pontja 1,33kHz-nél található.

66


VII/5.4 ábra A PD-alaptag Bode diagramja

VII/5.5 ábra 500Hz-es bementi négyszögjelre adott válasz

VII/5.6 ábra 1kHz-es bementi négyszögjelre adott válasz

67


VII/5.7 ábra 10kHz-es bementi négyszög jelre adott válasz

VII/5.8 ábra 20kHz-es bementi négyszög jelre adott válasz

Négyszög jelek esetén 20kHz-nél a kimeneti jel háromszög alakú, hasonlóan mint a 20kHz-es szinusz bemenőjel esetén (melléklet). 10kHz-es négyszög bemenő jel esetén (ekkor a bemenő jel olyan mértékben torzul, hogy inkább egy tű impulzusra hasonlít mintsem négyszög jelre) a kimeneti jel már közel háromszög alakú. A kritikus pont a négyszög jel esetén az 1kHz-es frekvencián van. Ekkor a bemeneti jel lengések után állandósul, míg a kimeneti jel egy lecsengő tranziensek sorozata, legalábbis az NI ELVIS rendszer szerint. Az 500Hz-es négyszög esetén a kimeneti jel követi a bemeneti jel alakját, a kondenzátor töltési folyamata itt jól látható. Meg kell jegyezni, hogy az általam használt NI ELVIS funkciógenerátorának a kimenete terhelés és frekvenciafüggő módon szolgáltat kimeneti jelet.

68


VII/6.

Invertáló bemenetről vezérelt komparátor

VII/6.1 ábra Az invertáló bemenetről vezérelt komparátor elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A kapcsolás összeállítása (VII/6.2 ábra). 2. A komparátor bemenetének ±5V-os feszültségtartományban való vezérlése 0,5V-os lépésközönként. A kimenti feszültség mérése, az átviteli függvény ábrázolása és a hiszterézis tartomány nagyságának megállapítása. Az integrált műveleti erősítőket előnyösen lehet alkalmazni feszültség komparátorként, mert nagy az erősítésük és mert bizonyos (±V) értékű vezérlés esetén kimenetük telítésbe megy. A komparátorokat egyszerűen nevezhetjük jel uniformizáló kapcsolásoknak is, mivel egy adott kapcsolástechnikával előállított, adott típusú komparátor kimenete egy adott bemeneti jelnagyság elérése után mindig ugyanolyan (alakú és nagyságú) kimeneti jelet szolgáltat. A VII/6.1 ábra egy olyan komparátor kapcsolás, amelynél a (+) visszacsatolás gyorsítja az átkapcsolást, továbbá az R2-vel biztosítjuk az UR referencia feszültséget. Az R1 ellenállás valósítja meg a (+) visszacsatolást.

69


Ube (R3) R1

R2 Uki

VII/6.2 ábra Az invertáló bemenetről vezérelt komparátor összeállítása Amíg az UR-Ube nagyobb mint: U ki max Au 0 , az erősítő kimeneti feszültsége megegyezik a pozitív kimeneti telítési feszültséggel. Miközben a két bemenet közé kapcsolt feszültség áthalad a vezérlési tartományon, az erősítő kimenő feszültsége a transzfer karakterisztikának megfelelően átmegy az negatív telítési feszültségbe. Ez az állapot mindaddig megmarad, amíg az Ube-UR feszültségkülönbség nagyobb mint:

U ki max Au 0

+Uki (V) 14,63V

15 10 1,100V 5

1

+Ube (V)

-5 -10

-12,3V

-15 -Uki (V) VII/6.3 ábra A komparátor karakterisztikája

70


A VII/6.3 ábrá-ból látható, hogy a komparátor 1,100V-nál billen át és a hiszterézis 0,2V. A (+) illetve a (-) maximális kimeneti feszültség nem egyezik meg. A karakterisztika alapján írható, hogy:

U ki max , ha U be  U R 

U ki max Au 0

U ki max , ha U be  U R 

U ki max Au 0

U ki 

A gyakorlatban többféle komparátort alkalmaznak, pl.: nulkomparátor, csúcskomparátor, diódával határolt komparátor, Zener diódával határolt komparátor, stb. Az egyszerű komparátorok esetében a kimeneti feszültség értéke függ a bemeneti feszültségtől. Ez azért előnytelen, mert a lassú jelek változásánál a kimeneti jel lassan változik, továbbá a bemenő feszültséggel együtt jelentkező zaj miatt az átkapcsolás bizonytalan, sőt többszöri ideoda kapcsolás után stabilizálódik. Ezeknek a problémáknak a kiküszöbölésére alkalmazzák a Schmitt trigger áramkört, ahol a visszacsatoló R1-es ellenállással párhuzamosan kapcsolnak egy kondenzátort. A VII/6.3 ábrá-hoz a hiszterézis görbét a VII/6.4 ábra mutatja.

VII/6.4 ábra A komparátor hiszterézis görbéje

71


VII/7.

Astabil multivibrátor (AMV)

VII/7.1 ábra Az astabil multivibrátor elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A kapcsolás összeállítása (VII/7.2 ábra). 2. Az AMV frekvenciájának meghatározása oszcilloszkóp segítségével. A kondenzátor feszültség jelalakjának vizsgálata. A kimeneti feszültség és a kondenzátor feszültség ábrázolása közös ábrán. Az astabil multivibrátort relaxációs oszcillátornak is nevezik, mivel stabil állapot nélküli pozitív visszacsatolással rendelkező kapcsolás. Megvalósítható digitális alkatrészekből (kapuáramkörökből), diszkrét áramköri elemekből, és pozitívan visszacsatolt műveleti erősítővel is. Az AMV kimenetén állandó frekvenciájú órajel jön létre, amelynek két szintjéhez a 0 és 1 érték rendelhető. Az AMV által előállított jel frekvenciáját és a kitöltési tényezőjét a visszacsatolásban elhelyezett RC tagok határozzák meg. Az AMV-nek nincs bemenőjele. Alkalmazása a híradás-, mérés-, szabályozástechnikában és számítástechnikai berendezésekben.

72


UC

C R3 R2 R1

Uki

VII/7.2 ábra Az astabil multivibrátor összeállítása

VII/7.3 ábra Oszcilloszkópos jelalakok Az oszcilloszkópos ábráról közvetlenül leolvasható az AMV frekvenciája, f=1035Hz. A kondenzátor feszültségének az alakja, közel háromszög alakú jel. Az alkatrész értékekből számított frekvencia fideális=1225Hz, de a műveleti erősítő és az alkatrészek nem ideális volta miatt a valós frekvencia Δf=190Hz-el eltér az ideálistól.

73


VII/8.

Elsőfokú aluláteresztő szűrő

VII/8.1 ábra Az elsőfokú aluláteresztő szűrő elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A kapcsolás összeállítása (VII/8.2 ábra). 2. Ofszetkiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra). 3. A szűrő bemenetének 1Veff értékű szinuszos feszültséggel történő vezérlése 20Hz÷10kHz tartományban. A kimeneti jel amplitúdójának oszcilloszkópos mérése. A szűrő amplitúdó karakterisztikájának felrajzolása. 4. A -3dB-es határfrekvencia meghatározása.

Az aluláteresztő szűrőket tipikusan a nagyfrekvenciás zavaró jelek kiszűrésére használják. Ha van egy X(jω) jel, akkor annak csak az ωH határfrekvenciáig vannak értékelhető, hasznos összetevői. Azokat a jeleket, amelyek kielégítik ezt a feltételt, sávhatárolt jeleknek nevezzük. Ha jelet viszünk át egy átviteli csatornán, akkor arra valamilyen zaj fog rakódni. A zajok természetüknél fogva nem sávkorlátozottak. Ez azt jelenti, hogy a frekvenciaspektrumukban 0…∞-ig minden frekvencia összetevő megtalálható. Ebből adódik, hogy a vételi oldalon egy y(t)=x(t)+z(t) jelet fogunk kapni, ahol z(t) a zavaró jel összetevő, míg x(t) a hasznos jel.

74


C

Ube (R1)

R2 Uki

VII/8.2 ábra Az elsőfokú aluláteresztő szűrő összeállítása

Az ωH határfrekvencia feletti jeleket a szűrők segítségével eltávolítjuk a vett jelből. Az ωH alatti jelek is tartalmaznak zavaró komponenseket, de ezeket nem (vagy csak részben) tudjuk eltávolítani. Az ωH feletti jelek eltávolítása, azok teljes levágásával érhető el. Mivel a z(t) zavaró jel spektruma 0…∞ minden frekvenciát tartalmaz, így nem tudunk kitüntetni egyetlen zavaró frekvencia komponenst sem az eltávolításra. Mindamellett vannak szoftveres úton megvalósított szűrők, amelyek segítségével a hasznos jelből ωH alatti frekvenciákon is eltávolíthatóak bizonyos nemkívánt összetevők.

H(ω)

H(ω)

1

1 1-ε1

0 0

ωH

ε2 0

ω

0

VII/8.3 ábra Ideális szűrő karakterisztika

ωH ωH+Δω

ω

VII/8.4 ábra Valós szűrő karakterisztika

75

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben Az ideális szűrő karakterisztikát nem lehet megvalósítani. A valóságos karakterisztikánál engedményt kell tenni a levágás vonatkozásában, tehát nem olyan meredek mint az ideális, hanem Δω értékkel nagyobb mint ωH értéke. Továbbá az elnyomás sem ∞, hanem egy ε2 sávon belül maradó érték, amely már a további jelfeldolgozás szempontjából elfogadható. A szűrők tervezésénél tehát egy: H  j  

A j  As  a0  a1 s  a 2 s 2  ...  a n s n ; ill. H s    . B j  Bs  b0  b1 s  b2 s 2  ...  bm s m

polinomok hányadosaként felírható egyenletet kell megoldani úgy, hogy keressük A(s) és B(s) gyökeit. A(s) gyökei lesznek a zérus helyek, míg B(s) gyökei a pólusok. A gyökök kereséséhez egy matematikailag alkalmasabb alakot képezünk, és abból történik a meghatározás. Ez az alkalmasabb a gyöktényezős alak, tehát:

H s   k 

1  s 1  s ...1  s  . 1  s 1  s ...1  s  a1

a2

an

b1

b2

bm

A VII/8.2 ábra szerint megvalósított kapcsolásban f≈2,4kHz-ig a szűrő kimeneti jele még erősített jel, majd utána következik a levágás folyamatos amplitúdó csökkenéssel. Ez tekinthető a szűrő határfrekvenciájának. A határfrekvenciáig, az erősítés Au≈1,5÷2 érték között található.

VII/8.5 ábra 500Hz-es bemeneti jel esetén Au≈2

VII/8.6 ábra 2,4kHz es bemeneti jel esetén Au≈1

76


VII/8.7 ábra 5kHz-es bemeneti jel esetén Au≈0,5 A Bode diagramos ábra tükrözi az oszcilloszkópos mérések eredményeit. A mellékletben többek között (másik programmal készített) kontroll ábra (Bode diagram) is található, amely teljesen megegyező képet mutat az NI ELVIS segítségével készített oszcilloszkópos ábrákkal és Bode diagrammal.

VII/8.8 ábra Az aluláteresztő szűrő Bode diagramja

77


VII/9.

Másodfokú aluláteresztő szűrő

VII/9.1 ábra A másodfokú aluláteresztő szűrő elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok:

1. A mérés összeállítása (VII/9.2 ábra). 2. Ofszetkiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra). 3. A szűrő bemenetének 1Veff értékű szinuszos feszültséggel történő vezérlése 20Hz÷10kHz tartományban. A kimeneti jel amplitúdójának oszcilloszkópos mérése. A szűrő amplitúdó karakterisztikájának felrajzolása. A -3dB-es határfrekvencia meghatározása. 4. Az R2-es ellenállassal sorba kötött 10kΩ-os potenciométer szabályozásával a határfrekvencia változásának megfigyelése. Mint már arról az előző pontban szó volt a szűrőket abból a célból alkalmazzuk, hogy az információs csatornából származó jeleket, adatokat a további elemzés, feldolgozás céljaira kedvezőbb alakra hozzuk. Az aktív szűrők lehetővé teszik, hogy induktivitások nélkül tetszőlegesen hozzunk létre, a kívánt feltételeket kielégítő kapcsolásokat.

78

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben A műveleti erősítős szűrőkapcsolások minőségi jellemzői növekvő frekvenciák tartományában romló tendenciát mutatnak, leginkább az aktív eszköz fázistolása miatt. A szűrők tervezése során arra kell törekedni, hogy a passzív elemek száma fokozatonként maximum 4-5 db legyen, mivel ezen elemek számának a növelése a szűrők toleranciaérzékenységét megnövelik. Iyen módon hardveres úton harmadfokú szűrőtől magasabb fokszámút nem célszerű készíteni.

Ube (R1)

R3

R2

C2

Uki P 10kΩ

C1

VII/9.2 ábra A másodfokú aluláteresztő szűrő összeállítása

VII/9.3 ábra A másodfokú aluláteresztő szűrő kiegészítése potenciométerrel

A VII/9.1 ábrán látható másodfokú szűrő a következő módon írható le:

As   

R3 1  , ahol R3  1  A0   R2 . R1 1  sC2  R2  R3  R2  R3 / R1   s 2  C1  C 2  R2  R3

Továbbá:

A0  

R3 1 1 , és 0   . R1 C1  C 2  R2  R3 R2  C1  C 2 1  A0 

A VII/9.4, VII/9.5, VII/9.6 ábrák mutatják az oszcilloszkópos mérési eredményeket 100Hz, 10kHz és f=200Hz értékeknél, ahol egyébként a szűrő erősítésének maximuma van. Itt látható módon az 1Veff értékű szinuszos bemenő jel esetén a kimeneti jel alsó félhullámának egy részét le is vágja a szűrőkapcsolás.

79


VII/9.4 ábra 100Hz-es bemenőjel esetén adott válasz, Au=1,22

VII/9.5 ábra 10kHz-es bemenőjel esetén adott válasz, Au=0,026

VII/9.6 ábra 200Hz-es bemenőjel esetén adott válasz, Au=6

Az oszcilloszkópos ábrákból megállapítható, hogy a szűrőkapcsolás alacsony frekvenciákon jelentős erősítéssel rendelkezik. A Bode diagramról (VII/9.7 ábra)leolvasható, hogy ~100Hz-ig tart az egységnyi erősítésű szakasz, majd ezt követi egy jelentős erősítés növekedés, amely ~200Hz-nél eléri a maximumát. Ezután nagy meredekségű erősítéscsökkenés következik, ami ~300Hz-nél metszi a 0dB-es tengelyt. Ezt követően a meredek levágású szakasz látható.

80


VII/9.7 ábra A másodfokú aluláteresztő szűrő NI ELVIS-el készített Bode diagramja dekádonként 5 mérési ponttal.

81


VII/10.

Föld független terhelésű áramgenerátor

VII/10.1 ábra A föld független terhelésű áramgenerátor elvi kapcsolási rajza

Mérési feladatok: 1. A kapcsolás összeállítása (VII/10.2 ábra). 2. Az ofszetkiegyenlítés elvégzése (VII/1.3 ábra). 3. A bemenetnek 0…+5V tartományban 1V-os lépésenkénti egyenfeszültséggel történő vezérlése és a kimeneti áram mérése. A mért értékek alapján az átviteli karakterisztika ábrázolása és a dIki/dUbe konverziós tényező meghatározása.

A műveleti erősítők előnyösen alkalmazhatók nagy belső ellenállású feszültségvezérelt áramgenerátorként. A véges Au miatt a kimeneti ellenállás is véges (de nagy) értékű. Jelen esetben a műveleti erősítő egy BC 300-as npn típusú tranzisztort vezérel. A terhelést az emitter körben elhelyezett R3 jelű 100kΩ-os ellenállás szolgáltatja. Az NI ELVIS tápegysége a (+) csatornán 12,828V-ot szolgáltat. Ez azt jelenti, hogy a tranzisztoron teljes kivezérlés esetén 128,28µA áram folyik. Ezt az értéket a mérések során pontosan detektáltam. A mérési feladatban meghatározott bemeneti feszültségekhez tartozó kimeneti áramok a VII/10.1 táblázatban láthatók.

82


R2 T (BC300)

R1 (Ube) D (1N4004)

R3

VII/10.2 ábra A feszültségvezérelt áramgenerátor összeállítása

Ube (V)

Iki (µA)

S=dIki/dUbe

0,0

0,0

0

1,0

10,0

10

2,0

20,0

10

3,0

30,0

10

4,0

40,0

10

5,0

50,0

10

VII/10.1 táblázat Az Ube-Iki és S értékei A táblázatos értékekből megállapítható, hogy az áramgenerátor jelleggörbéje lineáris egyenes. A karakterisztikája a VII/10.3 ábrán látható.

83


Iki (µA) 50 40 30 20 10

1

2

3

4

5

Ube (V)

VII/10.3 ábra Az Iki=f(Ube) grafikus ábrázolása

Ennél a mérésnél is gondot okozott, hogy az NI ELVIS rendszerben csak egy DMM van és így a kimeneti áram mérését egy külső DMM-el kellett elvégezni. Az NI ELVIS DMM-je jelen feladatban azért sem volt alkalmazható, mert a DC áram mérésben a legkisebb méréshatár 100mA, és itt a maximális áram is mindössze 128µA értékű volt. Gyakorlatilag az NI ELVIS árammérőjének a felbontása olyan, hogy ilyen kis áramértékek érzékelésére alkalmatlan. A beállítandó feszültségek mérését viszont jól el lehetett vele végezni.

84


VIII.

Programok bemutatása

Az NI LabVIEW grafikus programrendszer széleskörű flexibilitást biztosító programozási nyelv. Egy-egy méréstechnikai, automatizálási feladat többféle képen megvalósítható vele. Háromféle programot készítettem. Az első lehetőséget biztosít elektronikus erősítők (függetlenül a bennük lévő aktív alkatrészek milyenségétől) kivezérelhetőségének és erősítésének a vizsgálatára, kézi vagy automatikus üzemben. A második alkalmas, az NI ELVIS rendszerben elkészített valós áramkörök bemeneteinek a gerjesztésére interaktív módon, valamint a bemeneti és kimeneti jelalakok közös diagramban történő megjelenítésére, továbbá spektrum analízisre. A harmadik program, multivibrátorok jelalak vizsgálatát teszi lehetővé. Ebben az esetben bementi jel nem szükséges, hanem a kimeneti jel és a reaktáns elemen megjelenő jel alakjait vizsgálhatjuk közös koordináta rendszerben. A gerjesztő jelet a LabVIEW-al szoftveresen állítom elő, és a PCI 6251 M sorozatú mérésadatgyűjtő kártya Analóg Output DAC 0-ás csatornáján keresztül küldöm ki a vizsgálandó áramkör bementére az NI ELVIS prototípus kártyára. Az áramkör kimenetén megjelenő válaszjelet az NI ELVIS prototípus kártyájának az Analog Input ACH0, ACH1 csatornáin keresztül juttatom vissza a PCI 6251 M sorozatú mérésadatgyűjtő kártyára a további feldolgozás céljából. Mindkét program VI-okból és subVI-okból épül fel, amelyeket a következő oldalon mutatok be, a beállítási lehetőségeivel együtt. A programoknak fantázia nevet nem adtam. Általánosan mérésadatgyűjtő és vizualizálónak nevezem és 1-es és 2-es sorszámmal különböztetem meg őket.

85


VIII/1.

Mérésadatgyűjtő és vizualizáló 1

A program alkalmas elektronikus erősítők kivezérelhetőségének és erősítésének meghatározására. A kivezérelhetőség meghatározása úgy történik, hogy miközben az erősítő bemenetét 1kHz-es szinuszos jellel vezéreljük (növelve a bemeneti amplitúdót), közben figyeljük a kimeneti jelalakot, mennyire alakhűen követi a szabályos szinusz jel alakját. Amikor a kimeneti szinusz jel alakja már szemmel észrevehető módon torzul, megállunk a bemeneti amplitúdó növelésével, és azt addig szabályozzuk vissza, amíg ismét szabályos alakú nem lesz. Ekkor leolvassuk a bemeneti jel nagyságát, meghatározzuk az effektív értékét és ez az érték lesz a kivezérelhetőség nagysága. Az erősítés meghatározása a kimeneti és bemeneti jel hányadosaként számítható, ill. dB-ben az előző hányados 10-es alapú logaritmusának a 20 szorosa. Az egész program három részből áll. A sin2.vi, a Teljes hullám meghat.vi és az FGEN_1.vi. A sin2.vi feladata a bemeneti szinusz hullám előállítása. A Teljes hullám meghat.vi a mérési eredményekből kiveszi az első teljes hullámot. A mérés szabályos lefutásához legalább 100 db minta szükséges. Ez az érték a programban átírható. A torzulást úgy határozom meg a programban, hogy a mintavett jelnek kiszámolom a numerikus integrálját, és minden minta numerikus integrálját összehasonlítom az előző minta numerikus integráljával. Jelentős számú gyakorlati mérés alapján arra a megállapításra jutottam, hogy ha a fent említett két szinusz integráljai közötti különbség nagyobb mint 20%, akkor a jel már szemmel észrevehető módon torzultnak tekinthető. Az FGEN_1.vi tartalmazza összeszerkesztve a felhasználó számára az interaktivitást jelentő front panelt, amelyen minden beállítás elvégezhető és a mérési eredmények kijelzésre kerülnek. A három .vi egy mappában kell legyen, mivel működés közben hivatkozások történnek. Ez a közös mappa jelen esetben a Kivezérelhetőség nevet viseli (lásd CD melléklet). A programon belül mindent magyarázattal láttam el. A front panelen bármelyik vezérlő, vagy kijelző elemre mozgatva az egérmutatót megjelenik a Context Help menü, amiben az adott elem funkciója olvasható. Értelemszerűen ezt itt nem ismétlem meg. A program indításához el kell indítani a LabVIEW programot, és be kell kapcsolni az NI ELVI hardvert. Az NI ELVIS hardveren a tápegység és a funkciógenerátor kapcsolóit

86

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben MANUAL állásból át kell kapcsolni. Ezt követően a LabVIEW> Open> Kivezérelhetőség> FGEN_1 választással elindul a program. A frontpanelen az első elindításkor a Kézi léptetés aktív. Ebben az esetben a Léptess gombbal lehet az előzőleg megadott lépésközzel növelni a bemeneti feszültség amplitúdóját, ami egy kijelző elemen követhető. Amikor eléri az erősítő a kivezérelhetőség határát, egy piros jelző LED világít, és a program automatikusan leáll. Ekkor leolvasható számszerűen a kivezérelhetőség értéke, az Ube(eff) kijelző elemről. A baloldali vonaldiagramon látható csak a mintavett jel és a torzulása is, míg a jobboldali vonaldiagram mutatja a szabályos bemeneti szinusz jelalakot piros színnel, és a kimeneti jelalakot fehér színnel. A VII/1.6 ábrán látható egy mintafuttatás, így azt itt nem ismételem meg. A program blokkdiagramja pedig olyan nagy (minden irányban több képernyőnyi), hogy azt csak a mellékelt CD-ről lehet megtekinteni.

87


VIII/2.


A program frontpanelje (VIII/2.2 ábra) tartalmazza azokat a kezelő és kijelző szerveket, amelyek az egyértelmű működtetéshez szükségesek. Ha a front panelen elhelyezett eszközök bármelyikére a kurzorral rámutatunk, akkor a Context Help menüben rövid leírást találunk az eszköz funkciójáról. Az előlapon elhelyezett „Tájékoztató” felirat alatt elhelyezett OK gombra helyezve a kurzort néhány mondatos ismertető olvasható a program futtatásával kapcsolatban. Analog Input ACH0+ csatorna, gerjesztő jel a mérésadatgyűjtő felé Analog Input ACH0- csatorna, válaszjel a mérésadatgyűjtő felé

Analog Output DAC0 csatorna, gerjesztő jel az áramkör felé

VIII/2.1 ábra Az áramkör csatlakoztatása az analóg csatornákhoz

A VIII/2.1 ábrán az NI ELVIS próbapanel kártyájának analóg csatlakozó felülete látható, amelyből a megjelölt pontokat használom a mérés során.

88


VIII/2.2 ábra A program front panelje.

VIII/2.3 ábra A program blokk diagramja

89

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben A VIII/2.2 ábra egy invertáló AC erősítő vizsgálatát mutatja 1Veff értékű 1kHz-es bementi szinusz jellel (fehér szín), ill. az arra adott válaszjellel (vörös szín). A spektrum analizátoron látható az 1kHz-es bemeneti jel (fehér szín) spektruma, továbbá a kimeneti jel zajokkal terhelt spektruma. A zajok magából a vizsgált áramkörből származnak.

VIII/2.4 ábra A Functions panel A VIII/2.4 ábra eszközkészletéből a program elkészítéséhez az Input, az Analysis, az Output és az Exec Ctrl részeket használtam.

VIII/2.5 ábra A jelgeneráló VI beállítási panelje

90


VIII/2.6 ábra a bemeneti jelet fogadó VI konfigurálása

A DAQ Assistant VI segítségével állíthatjuk be az analóg bemeneti csatornát, és rögtön le is lehet tesztelni a kapcsolat jóságát. Egy-egy VI több subVI-ból áll. A program lehetőséget biztosít, hogy a VI-ok segítségével felépíthető legyen a mérésadatgyűjtés programja. Hasonló módon építhető fel a DAQ Assistant segítségével a kimeneteket kezelő VI, valamint a spektrum analízist végrehajtó VI.

VIII/2.7 ábra A spektrum analízist végző VI blok diagramja

91


VIII/3.


VIII/3.1 ábra Multivibrátorok jelalakját megjelenítő program front panelje

VIII/3.2 ábra Multivibrátorok jelalakját megjelenítő program blokk diagramja.

92


A VIII/3.1 és VIII/3.2 ábrákon a VII/7.2 ábrán összeállított Astabil Multivibrátor jelalakjait megjelenítő program látható. A Front panelen megjelenített ábra összhangban van a VII/7.3 ábra jelalakjával, azzal a különbséggel, hogy más léptékben van kalibrálva. A program hullámforma rajzolója automatikus skálázással jeleníti meg a hullámformákat.

VIII/3.3 ábra a VIII/3.2 ábrán látható subVI programja.

93

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI ELVIS rendszerben IX.

Irodalomjegyzék

1. Herpy Miklós: Analóg integrált áramkörök. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1974 2. U. Tietze Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1990 3. Andrew S. Tanenbaum: Számítógép hálózatok. Panem Könyvkiadó, Budapest, 1999. 4. Dr. Schnell László: Jelek és rendszerek méréstechnikája. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985 5. Bánhidi László-Oláh Miklós-Gyuricza István-Kiss Mátyás-Rátkai László-Szecső Gusztáv: Automatika mérnököknek. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2001. 6. Dr. Ajtonyi István-Dr. Gyuricza István: Programozható irányítóberendezések, hálózatok és rendszerek. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 2002. 7. Dr. Izsák Miklós szerk.: Távközléstechnikai kézikönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979. 8. Váradiné Dr. Szarka Angéla: Méréstechnika, egyetemi jegyzet. Miskolci Egyetem, 2003. 9. National Instruments LabView User Manual. Austin, Texas, USA, 2003 10. NI-DAQ 7 National Instruments LabView User Manual. Austin, Texas, USA, 2003 11. Magyari Béla: Texas Analóg és illesztő integrált áramkörök. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979 12. http://www.muszeroldal.hu/fullothers.html. 13. http://digital.ni.com. 14. http://www.cobracontrol.hu/nipubl.html. 15. http://www.hit.bme.hu/people/papay/edu/dataconv.htm. 16. http://gepesz.uni-miskolc.hu/oktatas/index.php3?26. 17. http://cobracontrol.hu/pdfpub/virtualmuszerez.pdf. 18. http://www.cobracontrol.hu/nipubl.html. 19. http://www.mbt.gyor.hu/hu/regelung.htm 20. http://elektronika.lap.hu/

94


XII.

Mellékletek

A mellékletek tartalmazzák a könyvben nem szereplő ábrákat, kontrolábrákat, műszaki adatokat, stb. Nem minden mérésnek van melléklete. A mellékletek mérésenként vannak számozva és feliratozva, így egyértelműen követhetők.

95

Elektronikai áramkörök tesztelésére alkalmas rendszer fejlesztése NI-ELVIS rendszerben. Készítette: Kiss László

Recommend Documents